地球の大気を化学する
Ver.1.0.0

鹿島

長次(2024.4)

目次

1.

まえがき .................................................................................................................................. 3
空気のような存在 ........................................................................................................................ 32.

原始地球の大気 ...................................................................................................................... 6
三行思想 ........................................................................................................................................ 6共有結合 ........................................................................................................................................ 9
不連続光を吸収や発光する原子 .............................................................................................. 13
宇宙を構成する元素 .................................................................................................................. 183.

地球の大気の進化 ................................................................................................................ 21
太陽系惑星の大気 ...................................................................................................................... 21
冥王代の地球の大気 .................................................................................................................. 24
石灰石の生成 .............................................................................................................................. 28
大気を空調する海の水 .............................................................................................................. 33
アデニンとグアニンの生成 ...................................................................................................... 38
大気中に再登場した酸素 .......................................................................................................... 41
生物の生活圏を変えたオゾン .................................................................................................. 42

4.

大気と生物の関わり ............................................................................................................ 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
酸素無しで棲息する太古の生物 .............................................................................................. 54
生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に .......................................................................... 56
酸素を取り込むフェレドキシンとヘモグロビン .................................................................. 62
生物の情報を管理する DNA .................................................................................................... 65

5.

大気汚染 ................................................................................................................................ 72
紫外線の光が密接に関係するオゾン ...................................................................................... 72
硫黄のおまけ付き石油 .............................................................................................................. 75
近年の大気中の二酸化炭素の変化 .......................................................................................... 77
水素により大気汚染を抑えられるか？ .................................................................................. 81

6.

未来の地球の大気 ................................................................................................................ 86
大気汚染も大気の進化の一過程 .............................................................................................. 86

索引 .................................................................................................................................................. 902

1. まえがき
空気のような存在
子供のころに透明人間の話をラジオの番組で耳にしてから、著者は目に見えない透明
人間が最も怖いものでした。現実に存在するのか、どこにいるのか、どのような顔をしているのか、どんな武器を持って立ち向かってくるのか、透明人間を考える情報も手段もないので想像するだけでどんどん恐ろしさが膨らんできて非常に怖かった思い出があります。
この透明人間のように目に見えず存在すら定かでない状態をしばしば「空気のような存在」と表現しています。この空気について学研研究社発行の現代新国語辞典では「地球の表面を覆う大気の下層をなしている無色・透明・無臭の気体」と説明されていますが、「あってもなくてもわからないもの、いくらでもあってただのもの、生きるために何よりも大切なものなどのたとえにも使う」と注釈されています。この注釈のように空気は眼に見えま
せんし、味も匂いもありませんし、風が吹かなければ音も聞こえませんし、手で持ち上げても全く重みを感じません。空気は身の周りにどこにでも存在していると小学校で習って以来長年にわたり化学の研究に携わってきた間に、先人の考えや研究結果を知識として理解しましたが、未だに身をもって実感したことが有りません。
紀元前 5 世紀ごろの中国で生まれた五行思想では、万物は液体を表す水と草木などの生き物を表す木と生き物を育てる土と生き物に関わらない金に、熱や煙や炎のように掴み処のない火を加えた 5 種類の元素でできていると考えられていました。同じ紀元前 5 世紀ごろにインドで生まれた積聚説では、現代風に考えられる固体と液体と気体とエネルギーを表すそれぞれ土と水と風と火の 4 元素が結合し集績して世界が成り立っていると考えられていました。この積聚説はギリシャに伝えられて土と水と風と火の 4 つの元素が離散集合して万物が成り立 つと考える四大元素説となって現代の自然科学に発展して来ました。
五行思想の火も積聚説の風も四大元素説の風も煙や湯気や雲や匂いなどの体感できるものに限られ、次第に空気と総称されるようになりました。

ある宴席で「新大陸の発見など自明のこと」と馬鹿にされた Columbus はゆで卵をテーブルに立てるように座興で返しました。求められた客は悪戦苦闘したのちに降参しましたが、Columbus は即座に立てたと伝えられています。卵を外から見ても割っても中にある小さな空隙はなかなか見難いものですが、そこに着目していたことで Columbus の卵の逸話が後世に語り継がれたと思います。また、リンゴの実は木から落ちるのに月は永久に落ちてこないことを不思議に思い、眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じない地球の持つ引力に着目して古典力学の基礎となる万有引力の法則をまとめた
Newton は稀有の偉人です。このように人間の五感で全く感じられない物事の存在を認識することは極めて難しい事で、多種多様な知識の積み重ねの上に偶然のきっかけから認識されます。
鳶は翼を広げるだけで大空を悠々と飛んでいますし、桜の花びらはひらひらと舞うよ3

うにゆっくりと散ってゆきます。晩秋の風のないときに枯葉を燃やして焚火をしますと、煙が炎の上に激しく上がってゆき、決して下の方に下がってゆくことはありませんが、建物や木々より上まで昇った煙は横にたなびいてゆきます。炎暑の日向道を歩けば陽炎がたって遠くの景色が揺らぎます。風が吹けば音を立てて何者かが押してきますし、風を背中に受ければ押してくれます。Columbus はほとんど艪を漕ぐこともなく風に帆を大西洋を横断してアメリカ大陸を発見したことが、後にスペインに恩恵をもたらしました。これらの眼にし、耳に捉えることのできる現象はすべて五行思想の火や積聚説の風や四大元素説の風で表されてきた風を表しています。
人間は有史以前からお酒を楽しんでいたようで、世界中で種々のお酒が造られてきましたから、ビールでも葡萄酒でも日本酒でも作るときにはふつふつと泡がわいてくることを知っていました。液面の上に出てきた泡は消えてしまいお酒の匂いの他には何物の存在も感じられませんが、醸造樽の上につるしたネズミが死んでしまうことが知られていました。樽の上に置いた器に水を入れておくと炭酸水ができることも知っていました。これらのことから、お酒を醸造すると眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じない何か煙のような物が出てくると空気の存在を知りました。これが二酸化炭素の発見に結び付き、水に溶け易くローソクの火を消してしまうなどの種々の性質が明らかにされました。
図 1-1 の（A）で示すように水を張った皿の中に立てた燃えるローソクにコップを被せますと、（A）から（E）に向かって時間とともに次第に火勢が小さくなり、約 30 秒後には図 1-1 の（F）でしめすように鎮火してしまいます。ローソクが立ち消えになったコップの中では図 1-1 の（F）から（I）に示すように次第に水位が上がってきて、鎮火後 1 分ほどで図 1-1 の（I）で示す状態で止まりますから、ローソクの燃焼によりコップの中に存在する空気に変化が起こり、生成してきた空気が水に溶けたと考えられます。水に溶けて炭酸水になることから、ローソクが燃えてコップの中には二酸化炭素が生成したと考えられましたが、図 1-1 の（I）で示すように水位の上昇は約 1 ㎝でそれ以上には水位は上がりませんでしたから、ローソクの燃焼によりまだ他に何か変化しない空気が残っていると考えられました。この残った空気の中では動物が死んでしまうことから、1772 年に有毒な空気という意味でこの気体は Nitrogen と命名されましたが、生物が窒息する空気という意味で

A

B

C

D

E

F

G

H

I

図 1-1 コップの中のローソクの火
日本語では窒素と訳されました。
コップをかぶせた（B）から（I）への時間の経過する間にコップの中では燃焼の変化
以外には何も変化が見られませんが、その間にコップの中に何か変化が起きて二酸化炭素
4ができたと察せられます。1774 年にこのローソクの燃焼により二酸化炭素に変化する空気は眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じないが身の周りに存在することを証明し酸素と命名されました。このコップの中に見られた現象は無風状態の変化ですから、風に由来する現象としては説明できません。これこそが空気の存在を示す現象の一つなのでしょう。
動く空気は風として人間の五感で感じられますから帆船や風車や納涼のための風鈴や団扇や干物の乾燥や火吹き竹や鞴など種々日常生活に利用してきましたが、静止する空気は眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じませんからその存在すら考えられません。風と空気は別物なのでしょうか、それとも風は空気の存在を示すものなのでしょうか。人間の五感で全く感じられない空気の存在をどのような切っ掛けから疑問に思い、その存在を確証したのでしょうか先人の洞察力に感服します。本書では化学的な知
識や思考方法を基にして常に身の回りにあり、眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、
全く重みも感じないにもかかわらず、少しでも不足すれば生死にも関わる空気について独善的に考えてみようと思います。これらの地球を取り巻く空気を天体などを考える人は大気と呼んでいますから、この大気ついて考えることで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、大気について考えることで日常生活を豊かにする助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

5

2. 原始地球の大気
三行思想
紀元前 5 世紀ごろにインドで生まれた積聚説をもとに、ギリシャの哲学者達は土と水と風と火の 4 つの元素が離散集合して万物が成り立つと考える四大元素説を考えていました。この思想の上に欧州を中心に発展してきましたから、現代の自然科学にはこの四大元素説が色濃く残っています。
黄金が他の金属と比較して圧倒的に高価で取引されてきましたから、黄金色の金属を廉価に入手する方法が古くから求められ、錬金術の主な命題でした。赤色の銅に銀色の亜鉛を多量に加えて熔融しますと真鍮（Brass）あるいは黄銅と呼ばれる黄色の合金になります。特に、銅(80%未満)と亜鉛(5~40%)の真鍮は金に似た黄金色をしていますから装飾品としても価値を持っていますが、亜鉛と銅の価格から考えますと材料費は金の 0.2%に過ぎません。そのため「貧者の黄金」と呼ばれて、まさに黄金を生む錬金術師の極意であったと思われます。このように金儲けのもとになる錬金術の基本が種々の物質を純粋に分けたり混ぜたりし、煮たり焼いたり溶かしたりして変化させる技術でしたから、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。その結果、万物を構成している元素は自然界にはわずかに約 90 種類しか存在していないことが分かってきました。しかも、これらの元素は中性子と陽子と電子の 3 種の粒子が極めて大きなエネルギ
ーで結び付けられてできています。これらの関係をまとめますと中性子と陽子と電子の 3種の粒子が集合して地球上の万物が作り出されており、その 3 種の粒子の集合の仕方により万物の性質や機能が発現していると考えることができますから、現代の自然科学の考え方は三行思想と表現することも出来るように思います。
中性子は電気的に中性で、陽子と電子はそれぞれ正と負の互いに相反する電荷を帯びています。Bohr は原子の中心には陽子と中性子が緊密に強く結び付いて原子核を構成し、陽子の持つ正電荷と電子の持つ負電荷の間に働く静電的な引力で原子核の周囲に正電荷を打ち消すように同じ数の電子が結び付けられている原子模型を考えました。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 個の粒子間に働く静電的な力 FCoulomb
は真空中の誘電率をε0 とするときに式 2-1 で、その静電的なエネルギーEij は式 2-2 で示すことができますから、これらの粒子は電荷が大きく距離が近いほど強く相互作用してエネ
ルギー的に安定化します。Bohr の原子模型で周回している電子がこの関係式で表されるエネルギーを持っているとすれば、原子核に近い軌道の電子ほど強く結び付けられて安定化します。しかし、原子は非常に小さくその中に存在する電子は極めて高速で運動していますから、Newton や Coulomb の確立した古典力学では合理的に解釈することができませんでした。その後、Schrödinger や Einstein によって確立された量子力学により、原子核の周囲に存在する電子の挙動が式 2-3 に示す半径 rn の軌道に式 2-4 に示すエネルギーEn を持って原子核に捉われていると合理的に説明されました。ただし、h は Plank の定数、m は電子6の質量、e は電子の電荷を意味する定数ですし、z と n はそれぞれ原子核に含まれる陽子の数と電子が動き回っている軌道の主量子数ですがこれらの変数は正の整数ですから、軌道半径 rn もエネルギーEn も不連続に段階的に変化します。
𝑄𝑖 ∙𝑄𝑗𝐹𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 =𝐸𝑖𝑗 = −
𝑟𝑛 =

𝑄𝑖 𝑄𝑗

式 2-2

4𝜋𝜀0 𝑟𝑖𝑗

𝜀0 ℎ 2𝑛2𝜋𝑚𝑒𝑧

𝐸𝑛 = −

式 2-1

4𝜋𝜀0 𝑟𝑖𝑗 2

∙
2

式 2-3

𝑚𝑒 4

𝑧2

8𝜀0 ℎ

𝑛

𝐸𝑛𝑖𝑗 = −2 2 ∙ 2𝑚𝑒 48𝜀02 ℎ2

式 2-4
1

1

𝑛𝑖

𝑛𝑗

∙ 𝑧 2 ∙ ( 2 − 2)

式 2-5

この量子力学による原子模型によれば、電子が動き回っている軌道の半径 rn とエネル
ギーEn は式 2-3 と式 2-4 で表されますから、主量子数 n の小さな順に不連続に段階的に原子核に近い半径の小さな内側から軌道が段階的に順番に並びます。外側の軌道の主量子数ni から内側の軌道の主量子数 nj に電子が移動するときには式 2-5 に示す Enij の値が正となり発熱的ですし、内側から外側の軌道への変化は吸熱的ですから、原子に捉われている電子は内側からおおよそ順番に詰まってゆきます。ここで原子に属する電子が入ることの出来る軌道の数は主量子数の 2 乗となり、主量子数 1 から順に 1、4、9、16、25、36 となります。駄菓子屋で売っている変わり玉のように層状に重なった原子の各軌道に 2 個ずつの電子が入るとその軌道は充足し安定します。そのため、主量子数 1 から 2、8、18、32、50、72 個の電子が入れるだけの許容量を持っています。しかし、最も外側の主量子数の軌道に分布する最外殻電子が主量子数 1 では 2 個、それ以外では 8 個まで入ると主量子数が 1 増
加して次の外側の軌道に電子は順次詰まってゆきます。
主量子数が 1 と 2 の場合にはそれぞれの軌道が電子で充足されてから主量子数が 1 増加
して次の軌道に電子は順次詰まってゆきますが、主量子数が 3 以上では、軌道が電子で完
全には充足されないままに主量子数が 1 増加して外側の軌道に電子は詰まってゆきますから、内側に電子の充足されていない軌道が隙間の空くように残ってしまいます。主量子数が 1 増加した外殻の軌道に 2 個の電子が入ってから、隙間を埋めるように内殻の軌道に順次電子が充足されてゆきます。このように内殻の軌道に電子が充足してゆく一連の元素を
遷移金属元素と呼び、元素の性質が互いに類似します。このことから、最外殻電子の数は
1～8 までしかありませんし、元素の性質も大まかには 8 種類しかありません。このような元素の性質と陽子の数との間に見られる規則性を Менделе́ев（メンデレーフ）は周期表にまとめました。このように同じ陽子の数を持つ原子は電子の数も同じになり、陽子の数が元素の性質に密接に関係しますから、化学者は元素を構成する陽子の数に対応して元素に7

名前とアルファベットの 1～2 文字を元素記号としてそれぞれ割り当てました。
種々の物質の元素組成と質量とアボガドロ数を考え合わせますと、陽子と中性子と電子の質量をそれぞれ 1.67262158x10−27 kg と 1.67492716x10−27 kg と 9.1093897 x 10−31 kg と見積もることができます。これらの見積値からも分かるように電子と比較して陽子と中性子の質量が格段に大きいために原子の質量はこの 2 種類の粒子の数にほぼ比例しますから、陽子数と中性子数の和を質量数と呼び原子の質量をおおよそ意味しています。中性子の数の異なる元素はいろいろとありますが、互いに同位元素と呼んで非常に良く似た性質を示します。質量数をその記号の左に上付きの数字で示して同位元素を含めたすべての原子を構成する中性子と陽子と電子の 3 種の粒子の組み合わせまで表すようにしています。例えば、水素の同位元素の中で高い割合で存在する水素原子は陽子と電子が 1 個ずつで中性子を含んでいませんから 1H と表すことができますし、ヘリウム原子（4He）は陽子 2 と中性
子 2 と電子 2、高い割合で存在する炭素原子（12C）は陽子 6 と中性子 6 と電子 6 で出来ています。
陽子や中性子を研究対象とする素粒子物理学は化学の知識しか持たない著者にとっては遠くかけ離れた領域ですから、その本質はほとんど理解できませんが、陽子と中性子に関する特徴的な 2 つの挙動を示す現象だけは理解できます。第 1 の挙動は中性子が電子を放出して陽子になり、陽子が電子を受け取って中性子になる可逆的な変化です。この中性子と陽子の間の可逆的変化には極めて大きなエネルギーを要しますから、温和な環境の地
球上ではほとんど進行しませんが、不安定な原子核の中では中性子から陽子への変化がまれに進行します。これに対して非常に過激な環境の太陽内部では、非常に大きなエネルギーを放出しながら、陽子から中性子への変化が進行しています。
水素以外の原子の原子核には複数の陽子が含まれていますが、非常に近い距離で存在するそれらの陽子はそれぞれ正電荷を帯びていますから非常に強い静電的斥力が当然働きます。これらの静電的斥力に打ち勝って陽子と中性子が原子核を構成していますから、陽子と中性子の間は非常に強い力で結び付いていると考えることができます。陽子と中性子の数の種々の組み合わせにより異なる同位元素が無限に考えられますが、陽子の数が 84 以上の元素では静電的斥力が強くなり陽子と中性子を結び付ける力が相対的に弱くなりますから、その原子核が不安定になり、徐々に壊れてゆきます。たとえ大きな陽子数の元素が生成しても非常に短い寿命で消滅してしまいますから、宇宙には約 90 種類の元素しか存在することができません。Менделе́ев（メンデレーフ）がまとめた元素の性質と陽子の数との間に見られる規則性を基にした周期表の現代版を表 2-1 に掲げておきます。
このようにギリシャに生まれた四大元素説が種々の変遷を経て、現在では中性子と陽子と電子の 3 種の粒子が結び付けられて元素を構成し、これら 3 種の粒子の構成の違いによる約 90 種の元素が集合して分子やイオンを構成し、さらに分子やイオンが複雑に集合することにより万物の性質や機能が発現していると考えるようになりました。しかも、それぞれ対応するエネルギーにより各段階の離散集合がなされていると考えられています。
8

これらの関係をまとめますと、現代の自然科学の考え方では、地球上の万物が中性子と陽子と電子の 3 種の粒子の集合の仕方により作り出されていますから、三行思想と表現することも出来るように思います。
表 2-1 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

61

62

Pm

Sm

2
93
Np
2

2
94
Pu
2

63
Eu
2
95

64
Gd
2
96

Am

Cm

2

2

*1

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
B
3
13
Al
3
31
Ga
3
49
In
3
81
Tl
3

6
C
4
14
Si
4
32
Ge
4
50
Sn
4
82
Pb
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

2

70
Yb
2

71
Lu
2

100

101

102

103

Fm

Md
2

No
2

Lr
2

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
Ho
2
99
Es
2

68
Eｒ
2

2

69
Tm

共有結合
正電荷をもつ原子核と負電荷をもつ電子からなる原子が集合して分子を形成するときにも、式 2-1 で示すような静電的な引力 Fcoulomb が働きます。最外殻の軌道に 2 個ずつの電子が入りますと軌道は充足されて安定しますが、充足されないときには他の原子の電子と相互作用して安定化します。炭素原子では最外殻の 4 つの軌道にそれぞれ 1 個ずつの電子が入っていますから、他の原子と相互作用して 4 本の結合を作ります。原子が互いに接近
9

して距離ｒij が小さくなれば相互作用して静電的な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。
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kcal/mol

200ていますので、その関係式に100

基づいて計算した酸素原子と0

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

-100

原子核同士の斥力
原子核と電子の引力す。図の黄緑色の線で示すよ -200

原子間に働くの相互作用

うに原子間の距離が小さくな -300
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

0nm 0.60.2
0.4
図 2-1 酸素－水素間距離と結合エネルギー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。この引力と斥力が同時に働いて打ち消し合いますから、図の赤色の線で示すように 2 つの原子が接近するときにある原子間距離までは式 2-1 で表されるような静電的な引力が働くとともに式 2-2 で表される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。逆に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
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

C

C

C

C

Ａ

C

Ｂ

C

C

σ結合

互作用する単結合と、2 つずつが相互作
用する 2 重結合と、3 つずつが相互作用す

C

C

C
π結合

る 3 重結合の 3 種類があります。1 つずつが相互作用する結合では図 2-2 (A)のよう

Cに結合軸の上で相互作用してσ結合と呼

C

C
π結合

図 2-2

ばれる単結合を形成します。炭素原子は3 種の炭素－炭素結合

互いに 3 次元的に等間隔になるような方向の 4 個の原子とそれぞれ単結合します。そのよ10

うな 3 次元的に等間隔な 4 方向は正 3 角形で 4 面をなす正 4 面体の重心からの正 4 面体の各頂点の方向ですから、中心原子を正 4 面体の重心に置くときに各頂点に他の 4 個の原子が結合した構造と考えることができ、その結合角は 109.5°となります。
炭素原子が互いに 3 次元的に等間隔になるように平面上 120°の方向の 3 個の原子とそれぞれ単結合しますと、図 2-2 の(B)の左図のように 1 個の電子が平面に直交した軌道に残ります。このような原子がσ結合で結ばれますと、残った電子同士が図 2-2(B)の褐色に示すようにそれぞれ直交した軌道の横面で互いに相互作用をしますから、π結合と呼ばれる
比較的弱い結合を形成し、σ結合と合わせて 2 重結合と呼んでいます。また、炭素原子が2 個の原子と 3 次元的に等間隔な直線状の 180°の方向に単結合しますと、図 2-2 の(C)の左図のように 2 個の電子が結合軸に直交した環状の軌道に残ります。このような原子がσ結合で結ばれますと、それぞれ直交した環状の軌道の電子同士が図 2-2(C)の褐色に示すように互いに相互作用をして 2 本のπ結合を形成しますから、σ結合と合わせて 3 重結合と呼んでいます。
表 2-2 共有結合の結合距離(R､nm)と結合エネルギー(E､kcal･mol-1)
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

結合

104
98
112
92
86
74
94
92
80
119
102
112
88
112
100
138
55
83
63
72
54
100
66

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

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
226
83
50
119
69

これら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、表 2-2 に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11

E をまとめました。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。
Newton の纏めた物体の運動エネルギーの式 2-6 に示す関係式から n mol の気体分子の衝突で生まれる圧力は分子量 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 2-7 の関係式に纏めることができます。ただし、分子の運動は個々に違いますので、分子の形により f の値が変化します。温度の変化による体積の変化の他に、ヘリウムなどの単原子分子ではその運動が x と y とｚの 3 方向の並進運動に限られますからｆは 5 と考えられます。酸素や窒素のような 2 原子分子では結合軸の回転運動が加わりますからｆは7 となりますし、さらに水やメタンなどの 3 原子以上の複雑な分子ではさらに結合角の変角運動が加わり f は 8 と考えられます。式 2-8 に示す n mol の理想気体の状態方程式の理想気体定数 R を 1.9855 cal･mol-1K-1 とするとき、原子量 m の原子 n mol の持つ運動エネルギー
E は式 2-9 のように書き換えることができ、運動エネルギーE は低温では小さく温度 T が高
くなるほど大きくなり原子が激しく運動します。

𝐸=
P=

𝑚𝑣 2

式 2-6

2

𝑛𝑁𝑎 m𝑣 2

式 2-7

fV

式 2-8

𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
1𝑓

𝐸 = 2 𝑁𝑎 𝑚𝑣 2 = 2 𝑅𝑇 = 𝐶𝑝 𝑇
この関係は圧力kcal/mol
水素
窒素
酸素
塩素
一酸化炭素
二酸化炭素
アンモニア
メタン
水
硫化水素

が一定の条件において、実験的に求められる 1mol の物質を

250
200

1℃温めるに要する熱量を表す定圧モル
比熱 Cp に相当しま

式 2-9

150
100

すから、式 2-9 のように関係付けられま50

すので、表 2-3 に代0

表的な気体の定圧モル比熱の実測値とと

0

2000

4000

6000

8000 絶対温度K

図 2-3 結合の運動エネルギーと温度
12も に 、 20 ℃

表 2-3 比熱と結合エネルギーと分解温度（ 293K ） に おける値を掲げておきます。
これらの分子の比熱を式 2-9に代入して、
温 度 が 0 ～9000K の 範 囲の運動エネル
ギーをおおまかに概算して
図 2-3 に示しま

比熱(Cp)

気体

cal･K-1mol-1(293K)

結合エネルギー

分解点kcal･mol-1

K

He

4.97

4.97

Ne

4.97

4.97

Ar

4.97

4.97

H2

6.62+0.00081T

6.86

104

8000

N2

6.50+0.001T

6.79

80()、83()

6500

O2

8.27+0.000257T-187700T-2

6.16

50()、69()

6600

O3

9.36

9.36

36

3900

Cl2

8.28+0.00056T

8.44

58

5200

NH3

6.70+0.0063T

8.55

94

3400

CO

6.60+0.0012T

6.95

80()、89()6300

した。このよCO2

10.34+0.00274T-195500T-2

8.87

80()、48()3900

うにして求めCH4

5.34+0.0115T

8.72

104

2800

られる運動エ

H 2O

8.22+0.00015T+0.00000134T2

8.38

119

4000

ネルギーE は分SO2

7.70+0.0053T-0.00000083T2

9.18

66

3900

子を構成してH 2S

7.20+0.0036T

6.86

90

4100

い る 原 子 の種々の運動によるエネルギーですから、分子内で原子を結び付ける結合エネルギーよりも大きくなれば分子は原子へバラバラに分解します。表 2-3 には代表的な気体分子の結合エネルギーと、式 2-9 と比熱から求められるその結合を分解するに充分な温度を合わせて掲げます。また、分解点以上における運動エネルギーを図 2-3 の点線で示しました。この表
2-3 からも分かるように原子同士を結び付けている結合エネルギーは 120kcal･mol-1 以下ですから、地表温度のように 1000℃以下の環境では結合を保つことができます。水素や窒素
や酸素や一酸化炭素は 5000℃以上の非常な高温でも分子として結合を保つことができます
が、他の気体は比較的低い温度で原子の状態にバラバラになってしまうと考えられます。

不連続光を吸収や発光する原子
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主量子数と陽子数を変数とする式 2-4で定義されるエネルギーを持って分布しています。主量子数は量子力学的には原子核からの半径に相当するものですから、主量子数の小さな順に不連続に段階的に原子核に近い内側の軌道から 7 段階におおよそ順番に詰まっていきます。しかも、原子に属する電子が入ることの出来る軌道の数は主量子数の 2 乗となり、それらの各軌道に 2 個ずつの電子の入ることで軌道は充足し安定します。当然、原子核に近い軌道には電子が充足していますが、13

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。
ni が nj よりも小さい時には、主量子数 ni の軌道上の電子に式 2-5 に相当するエネルギー
Enij を与えますと、エネルギーを受け取った電子は主量子数 nj の軌道上に励起して不安定化します。逆に ni が nj よりも大きい時には、主量子数 ni の軌道上の電子は式 2-5 に相当す
るエネルギーEnij を放出して主量子数 nj の軌道上に移動して安定化します。小さな主量子数の軌道の電子にエネルギーを与えますとより大きな主量子数の軌道に電子は移動して不安定化しますが、即座に相当するエネルギーを放出して元の軌道に戻ります。しかし、この電子の往復の移動の間に系全体としてわずかながらエネルギーの損失が起こります。
光のエネルギーに対して Newton は式 2-6 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ないために、式 2-6 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、Plank の定数 h を比例定数としそのフォトン 1 個の持つエネルギーが式
2-10 のように電磁波の振動数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 2-10 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。一般に化学反応は分子 1 個ではなくアボガドロ数（Na）の分子が集合した 1mol として考えますから、式 2-10 を書き換えた式 2-11 で考えます。さらに、式 2-5 に式 2-10 を代入しますと式 2-12 と書き換えられます。

𝐸 = ℎ𝜈 =ℎ𝑐

𝐸 = 𝑁𝑎 ℎ𝜈 =
1
𝜆

=

𝑚𝑒 4
8𝜀02 ℎ3 𝑐

式 2-10𝜆𝑁𝑎 ℎ𝑐

式 2-11

𝜆
1

1

1

1

𝑛𝑖

𝑛𝑗

𝑛𝑖

𝑛𝑗

∙ 𝑧 2 ( 2 − 2 ) = 𝑅∞ ∙ 𝑧 2 ( 2 − 2 )式 2-12

Rydberg はｍや e や h などの定数の項を一括して R∞とし、実験的に 1.0973x107m-1 と定めました。ここで、主量子数 ni も主量子数 nj も正の整数ですから、エネルギーEn も波長λも不連続な固有の値になると

表 2-4 水素原子の発光スペクトル（nm）

思われます。安定な軌道上の電子に En よりも大きなエネル

主量子数

ギーを与えても、En よりも小

2
3
4
5
6
7
8

さなエネルギーを与えても、電子はエネルギーを受け取ることができず不安定な軌道上に励起することもありません。また、不安定な軌道に励

主量子数 1 への変化
計算値
実測値
121.51
121.6
102.52
102.5
97.21
97.2
94.93
94.9
93.74
93.7
93.03
93.0
92.58
92.6

14

主量子数 2 への変化
計算値
実測値

656.16486.04433.97410.10396.93388.83656.28486.13434.05410.17

起された電子が安定な軌道へ戻るときに、発生するエネルギーEn は不連続な固有の値を持っていますから、放出される電磁波の波長λが不連続な固有の輝線スペクトルを示します。
主量子数が 1 の軌道に 1 個の電子を持っている水素原子に電磁波を照射しますと、電子が主量子数 2、3、4 の軌道へ励起して起こる吸収波長λが式 2-12 によりそれぞれ計算されま
すし、励起して起こる吸収波長もそれぞれ求めることができます。逆に水素原子において、主量子数 2、3、4、5 の軌道へ励起されている電子が主量子数 1 や 2 の軌道へ戻る時に発する電磁波の波長も計算されますので表 2-4 に掲げておきます。Lyman と Balmer は水素ガスの存在する中で放電する水素放電管により、水素原子の持つ電子を高い主量子数の軌道に励起させ、主量子数 1 や 2 の軌道に戻る時に発する電磁波の波長を測定しましたので、その値も合わせて表 2-4 に掲げておきます。水素原子は原子核の電荷が 1 の最も簡単な構造を持っていますから、表 2-4 で明らかなように実験値と計算値が良く一致しています。
原子の高い主量子数の軌道に励起された電子が安定な軌道に戻る時にそれぞれの原子に特有のエ表 2-5 代表的な元素が強く発する紫外線と可視光線の極大波長と色調

ネルギーを
放出します

元素

紫外線､可視光スペクトル（nm）

色調

が、水素以

ヘリウム

He

389､588

黄色

外の原子で

リチウム

Li

323､460､610､671

赤紫色

は構造が複

窒素

N

410､411

青紫色

雑になるた

ネオン

Ne

540､585､638､640､717､725

橙赤色

めに、発生

ナトリウム

Na

330、569､590､820

橙黄色

する電磁波

マグネシウムMg

285､333､334､383､384､517､518

黄緑色

の波長は必

アルミニウムAl

257､258､308､309､394､396

ずしも計算

アルゴン

Ar

697､707､750､812

青色

で求めるこ

カリウム

K

404､405､766､770

淡紫色

とはできま

カルシウム

Ca

423､443､444､445､446

橙緑色

せん。室温

銅

Cu

237､282､296､325､337､459､511､515､522

緑色

でも気体で

ガリウム

Ga

287､294､403､417

青色

存在するネ

ゲルマニウムGe

259､265､271､276､304､327､423

青色

砒素

As

229､235､237､246､249､278､286､290

淡紫色

クリプトン

Kr

557､587

紫白色

ルビジウム

Rb

420､422､780､795

赤紫色

ストロンチウム

Sr431､461､483､487､496

紫色

キセノン

Xe

395､408､450､462､467､823､828

紫白色

セシウム

Cs

456､459､852､894

青紫色

バリウム

Ba

543､552､554､578

青緑色

水銀

Hg

254､297､302､365､366､405､436､546

青白色

オンの中に
電極を装着
し電圧をか
けますと、
水素放電管
と同じよう
にネオンの
電子は高い

15

主量子数の軌道に励起されますが、即座にその軌道から安定な軌道に戻りますから、540～725nm の橙赤色の光を発光します。この放電管を用いますと容易に妖しげな赤い光を発しますから、ネオンサインと呼ばれて歓楽街を飾っています。また、金属ナトリウムと水
銀はそれぞれ 883℃と 357℃の沸点を持っていますから比較的容易に気体状態にすることができ、放電管に用いますと光を発光させることができます。金属ナトリウムでは 590nmの橙黄色の光を強く発光しますから、目に優しいナトリウムランプとして高速道路などの照明に用いています。また、水銀は 254nm の紫外線を発光しますから殺菌灯として用いられるばかりでなく、短波長の光を長波長の光に変換する蛍光物質により蛍光灯として白色の照明器具に用いています。
電子を衝突させることばかりでなく高温に加熱することによっても種々の原子が励起されます。ナトリウム原子を炎の中で高温に加熱しても 590nm の橙黄色の光を発光します
し、カリウム原子を加熱しますと 770nm の淡紫色の光を発光します。また、カルシウム原子や銅原子やバリウム原子はそれぞれ橙緑色や緑色や青緑色に発光しますから、炎色反応と呼んで物質中の元素の存在を調べることができます。さらに可視光線の領域ばかりでな
く紫外線の領域まで精密に測定する発光分光分析や炎光分析法として物質中の正確な元素組成の分析に広く用いられています。表 2-5 には種々の原子の発する光の極大波長を掲げておきますが、400nm 以上は可視光線の領域ですからその色調も掲げておきます。このように原子を高温に加熱しますと種々の色の光を発光しますから、このような原子を含む物
質を火薬の中に混ぜ込み色鮮やかな花火として夏の宵を彩ります。
物質に電子を衝突させることや高温に加熱することのほかに、式 2-12 で求められる波
長λの電磁波を照射すれば、主量子数 n1 の軌道から不安定な主量子数 n2 の軌道へ電子が励起すると思われます。不安定に励起された状態の電子は即座に式 2-12 に相当する波長の電磁波を放出して元の主量子数 n1 の軌道上に戻ります。しかし、このようにして励起した電子のうちで少数の電子は構造変化や各種の分子運動などにエネルギーを消費してしまいま
すから、物質に与えられた電磁波の総量よりも放出される総量は減少します。結果として、照射した電磁波の総量の大部分を回収しますから物質はほとんど電磁波を受け取らなかったように見えますが、各種のエネルギーとして消費されたエネルギーの減少量だけ物質が電磁波を吸収したことになります。このとき、主量子数 n1 も主量子数 n2 も正の整数ですか
ら、吸収する波長λも不連続な固有の値になります。また、各種のエネルギーとして消費される減少量は物質の構造や環境や状態により異なりますから、電磁波の総照射量に対して吸収した総量の割合が変化します。この割合を吸光係数と呼び物質の構造や環境や状態に固有の値を示しています。
例えば、金属ナトリウムを放電管に用いますと主量子数 n3 の軌道上の外殻電子が主量
子数 n4 の軌道に励起しますから、元の状態に戻る時に 590nm の橙黄色の光を強く発光します。アンモニアを冷却しますと－33℃で液化し液体アンモニアになりますが、非常に特殊な条件ながらこの液体アンモニアに金属ナトリウムは溶けて溶液になります。この金属ナ
16

トリウム溶液は 590nm の橙黄色の光を吸収しますから、その補色に相当する青紫色を呈しています。
このように種々の原子は固有の吸光係数を持って固有の波長の電磁波を吸収しますから、幅広く連続した波長領域を持つ電磁波を物質に照射し、吸収する電磁波の波長と吸光度を測定することにより物質を構成している原子の種類や組成を調べることができます。
この分析法は原子吸光分析法と呼び、200～800nm の波長領域を持つ紫外線と可視光線が主に用いられています。特に原子吸光分析法は存在する原子の量と吸光度の間には広い濃度範囲で比例関係が成り立ちますから、元素組成を正確に測定することができます。
表面温度が 6000℃の高温で輝く太陽は極めて短波長のγ線から長波長の電波まで連続的な非常に幅広い波長領域の電磁波を輻射しています。このような太陽光が地上に到達するまでには、太陽の上空を覆っている太陽の大気や地球の大気を通過してきます。幅広く
連続した波長領域を持つ太陽光がこれらの大気を構成している種々の原子に照射されますから、当然、式 2-7 に相当する波長の光を吸収します。このとき、吸収する波長λが不連続な固有の値ですから、幅広く連続した波長領域を持つ太陽光のスペクトルの中に特定の波長の暗線が現れます。Fraunhofer が発見したこの暗線を表 2-6 に掲げて起きますが、この吸収線の波長と吸光度から、太陽の表面を覆っている元素の組成を調べることができました。表 2-4 の水色の欄に掲げてある水素の発光スペクトルと同じ波長の吸収線が表 2-6 の
中で水色の欄に示すように強く観測されましたので、太陽の表面を水素の覆っていることが明らかになりました。このような太陽光の発光分光分析や原子吸光分析により太陽に存在する物質を推定する方法は、はるか遠くの天体を構成する物質の分析にも応用されています。望遠鏡を用いて対象とする天体からの光を集光し、分光分析することにより元素組
成を知ることができますから、直接その天体に行くことなくある程度の情報収集をすることができます。
表 2-6 太陽光スペクトル中の吸収線の波長(nm)と励起元素
吸収波長

元素

吸収波長

元素

吸収波長

元素

吸収波長

元素

294.79Fe

328.68Fe

422.67

Ca

526.96

Fe

299.44Fe

336.12Ti

430.77

Ca

589.00Na

302.11

Fe

344.10Fe

430.79Fe

589.59Na

304.76

Fe

358.12Fe

434.05H

656.28H

309.99Fe

372.76Fe

486.13

H

687.00O

310.03Fe

382.04Fe

516.73Mg

759.40O

310.07

Fe

393.37

Ca

516.75

Fe762.10O

317.93

Ca

396.85Ca

517.27Mg

822.85O

318.13

Ca

410.18H

518.36

Mg

899.00O

原子核に近い主量子数の小さな軌道には電子が充足していますが、外側には電子の入17りうる主量子数の大きな軌道が存在します。小さな主量子数の軌道上の電子にエネルギーを与えますと、エネルギーを受け取った電子は大きな主量子数を持つ軌道上に励起して不安定化します。また、大きな主量子数の軌道上の不安定に励起された状態の電子はエネル
ギーを放出しながら安定な主量子数の軌道上に戻ります。このような軌道間の電子の移動によるエネルギーの変化は紫外線から可視光線の波長領域を持つ電磁波のエネルギーに相当しますから、種々の原子により固有の波長を持つ光の吸光や発光を引き起こします。そのため、物質の色や加熱したときの輝き方は物質を構成する原子の種類に依存します。ここで、主量子数は正の整数ですから、電子が受け取るエネルギーは不連続な固有の値になると思われます。

宇宙を構成する元素
地球の元素組成は種々の岩石や海水や大気の元素組成を直接調べることにより地表近表 2-7 地殻の元素組成（％）

くの平均的な元素組成を見積もることが出来ます。また、火山の溶岩などの元素の分析から地表からある程度深い所の元素組成まで考

元素

地殻中

海水中

人間体内

O

46.6

Si

27.7

0.012

trace

Al

8.1

0.005

trace

Fe

5

trace

trace

Ca

3.6

1.2

1.96

Na

2.8

32.4

0.11

K

2.6

1.2

0.37

Mg

2.1

3.9

0.04

Ti

0.44

trace

C

0.18

0.095

の大気および地表の岩石の情報を送信してき

H

0.14

ました。また、1975 年にバイキング 1 号・2 号

P

0.12

trace

1.08

が火星への軟着陸に成功しましたので、火星

S

0.05

2.7

0.25

表面の多くの情報が送信されてきています。

Cl

0.03

58.2

0.45

現在までに得られた情報を総合すると、金

Sr

0.03

0.04

星、地球、火星、小惑星などの地殻の元素組

F

0.03

0.004

成はほとんど類似しているようです。金星、

Rb

0.03

trace

地球、火星、小惑星などのようなすでに冷え

Ba

0.03

trace

て固まった天体の平均の元素組成は表 2-7 に示

Zr

0.02

trace

す地球の地殻の元素組成と同じと考えてよい

Cr

0.02

trace

trace

ようです。木星、土星、天王星へはいまだ宇

N

0.005

0.003

3.1

慮することが出来ます。さらに、地球の外か
ら飛んでくる隕石やアポロ宇宙船が持ち帰った月の石の分析の値を加味して、地殻の元素組成が表 2-7 のように見積もられています。さらに、表 2-7 には海の水の中に溶けている元素の組成と人間の身体を構成している元素の組
成もまとめておきました。マリナー2 号が金星に接近して以来、ベネラ７号、ベネラ 14 号などの宇宙船が金星に軟着陸して、金星表面

宙船の軟着陸に成功していませんが、パイオ
18

64.6

18.1
9.98

trace

ニア 10 号、11 号、ボイジャー1 号、2 号がかなり近距離まで接近することに成功したため、それぞれの惑星の大気の分析に成功しています。それらの宇宙船からの情報や地球上からの観測により得られた太陽系の惑星の大気のデータもかなり正確に得られました。
前節の「不連続光を吸収や発光する原子」で見てきたように、太陽光の発光分光分析
や原子吸光分析と太陽の質量から太陽に存在する元素の種類と量を推定して、惑星の元素
組成と合わせて太陽系全体の元素組成が集計されます。さらに、望遠鏡を用いて対象とする天体からの光を集光し、分光分析することによりはるか遠くの天体を構成する元素の組
成を知ることができますから、直接その天体に行くことなくある程度の情報収集をすることができます。このようにして多くの研究者が

表 2-8 宇宙における元素存在比

宇宙に存在する元素の存在比を推定していますが、1966 年に Cameron が見積もった元素存在比を表 2-8 に抜粋しました。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。太陽系の天体も例外ではありませんから、太陽系が誕生した時には、それぞれの惑星の大気の主成分は表 2-8 に抜粋しましたよ
うに水素とヘリウムを主体とする宇宙の元素存
在比で出来ていたと思われます。

元素
水素
ヘリウム
炭素
窒素
酸素
ネオン
マグネシウム
ケイ素
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太陽などのすべての恒星は陽子（水素の原子核）が式 2-13 と式 2-14 と式 2-15 の 3 つの式で表される核融合反応による大きなエネル
ギーで輝いています。元素記号の左上付きの数字は原子量を表していますから陽子は 1H＋と表されますが、陽子と中性子と電子をそれぞれ p と n と e と便宜上表しますから陽電子
は e+と表されます。この水素の原子核が核融合してヘリウムに変化する連鎖反応により膨大なエネルギーが発生していますが、同時に式 2-16 と式 2-17 と式 2-18 の核融合反応も進行していますから陽子や中性子が副生します。

p + p ⟶

2

H + e+

式 2-13

3

He + 𝛾

式 2-144式 2-152

H + p ⟶

3

3

He +

He ⟶

He + p + p

2

H+

2

H ⟶

3

H+p

式 2-16

2

H+

2

H ⟶

3

He + 𝑛式 2-172

3

4

式 2-18H+

H ⟶He + 𝑛

この膨大なエネルギーは電磁波や中性子や陽子とともに恒星の周囲に放射されます。
このように恒星が放射する電磁波や中性子や陽子などの宇宙線は何億年という年月をかけ19

て地球にまで送られ、到達した可視光線が目に入れば光輝く星と認識できます。広い宇宙
空間には中性子や陽子や電子などの素粒子の他にこれらが種々の組み合わせで結合した原子や分子が存在しています。これらの原子や分子に高いエネルギーを帯びた中性子や陽子
や電子や電磁波が衝突しますと、より低いエネルギーの電磁波の放射を伴い分子や原子の分裂や分解や結合などの種々の変化が引き起こされます。
太陽はこのような核融合反応により表面温度が 6000℃以上の高温で燃え盛っていますから、先の「共有結合」の節で定圧モル比熱 Cp から予測したようにすべての構成元素は原子の状態で存在していますが、核融合反応をしない太陽系の惑星の温度は次第に下がり、原子量の小さなすべての元素は共有結合して分子の状態に安定化しました。特に水素もヘリウムも気体になり易い元素ですから、大気の主成分となったと思われます。宇宙の遠い彼方でも同じように温度の低い領域では共有結合により分子の状態で安定化すると考えられ、それらの分子に中性子や陽子が衝突した時に放射される電磁波が非常に微弱ながら地球に到達します。このような電磁波を観測するように長野県八ヶ岳山麓の野辺山宇宙電波観測所には直径 45m の大型のパラボラアンテナや 600m の直線上に同時測定できるように
複数のパラボラアンテナが天に向って設置されています。この電波望遠鏡により電磁波の周波数とその強度が測定でき、宇宙に存在する水やアンモニアやメタンや硫化水素などの他に一酸化炭素や一酸化窒素やメタノールやアセチレンなど 100 種類以上の分子やイオン
やラジカルの存在とその濃度が確認されています。

20

3. 地球の大気の進化
太陽系惑星の大気
太陽系には 8 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。近年その他に最も外側の軌道を公転している 1 個の惑星の存在が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。アポロ宇宙船が初めて月面に着陸して月の石を持ち帰ってから、マリナー2 号、ベネラ７号、ベネラ 14 号バイキング 1号、2 号、パイオニア 10 号、11 号、ボイジャー1 号、2 号が次々に太陽系の多くの惑星に
近距離までの接近あるいは着陸に成功したので、それぞれの表面の状態や惑星の岩石や大気の情報を送信してきました。Galileo Galilei が望遠鏡で木星を観測して以来蓄積されてきた多くの知見に加えて、これらの宇宙船から得られた情報を表 3-1 に掲げました。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から、内側の軌道を公転している
3 つの惑星は 46 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられます。また、外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星は質量も体積も大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っていますから、外側の軌道を公転している 4 つの惑星も別の兄弟星として誕生したと考えられます。
表 3-1 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･mL-1)
脱出速度（km･s-1）
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

第 2 章の「共有結合」の節で示したように物質の運動エネルギーE は質量 m と速度 v に比例する式 2-6 のような関係で表されます。さらに、式 2-9 を変形しますと気体の状態になって自由に動き回る気体分子は温度に比例し分子量に反比例する式 3-1 に示す速度で運21動しています。この式 3-1 で求められる分子の運動の速度は個々の分子が持つ分子の速度の平均値で、平均値を中心に速く運動する分子も遅く運動する分子も混在しています。
Gauß が統計的に処理することにより 数式化した正規分布を基にして、理想気体定数とアボガドロ数と分子量と絶対温度をそれぞれ R（1.9855cal･mol-1K-1）と Na と Mwと T とするとき、Maxwell は 1mol の気体のうちで分子運動する速度 v を持つ分子の数を示す関数 f(v)を式 3-2 に纏めました。
𝑓𝑅𝑇

𝐶𝑝 𝑇

𝑤

𝑤

𝑣2 = 𝑀 = 𝑀

式 3-1

2

𝑓(𝑣) = 4𝜋𝑣 𝑁𝑎 (

𝑀𝑤

2𝜋𝑅𝑇

表 3-1 に示す地球

3
2

) e

𝑀 𝑣2
(− 𝑤 )2𝑅𝑇

式 3-2

分子数/molの地表温度 295K を式
3-2 に代入しますと、
遅 い速度か ら非常 に

He
H2
N2、CO
O2
Cl2
NO
NH3
CO2
CH4
H2O
H2S

3E+21

速 い速度で 運動す る
分子まで１mol の気体

2E+21の うちであ らゆる 速度 を持つ分 子の数 を1E+21

推 測できま すので 、種 々の気体 分子の 分0m/s 2000

布曲線を図 3-1 に示し

0

ま す。赤色 線で示 す

図 3-1 種々の地球大気中の気体の速度分布

500

1000

1500

ヘリウムと青色線で示す水素の分子の運動速度の平均値はそれぞれ 540m･s-1 と 770 m･s-1 でかなり 1500 m･s-1 以上の早く運動している分子も 100 m･s-1 以下の遅く運動している分子も存在している数が推測できます。青色線の水や褐色線のメタンは比較的に早く運動しており、黄色線の塩素や緑色線の二酸化炭素など分子量の大きな分子の運動の速度が遅く、早く運動する分子をほとんど含んでいないことがうかがえます。このように遅い速度から非常に速い速度で運動している分子まで一定の存在確率で混合していますが、一部の速度で運動している分子が系外に飛散しますと存在確率が乱れます。しかし、系内で分子は活発に運動して互いに衝突を繰り返していますから、互いにエネルギーの遣り取りをして比較的短時間に一定の存在確率を復元します。

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 3-3 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･s-2kg-1 と見積もられています。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 3-4 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。変形した式 3-5 に表 3-1 に示した地球の半径 r と22

質量 M を代入しますと、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 11.2km･s-1 と算出できます。マリナー2 号などの宇宙船は 11.2 km･s-1 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。地球の脱出速度と同じように表 3-1 に示した太陽系の惑星の半径 r と質量 M を式 3-5 に代入して算出した太陽系の惑星の脱出速度を表 3-1 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などの兄弟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。

𝑈=−

𝐺𝑀𝑚

式 3-3

𝑟

1

𝐸 = 2 𝑚𝑣 2 >

𝐺𝑀𝑚

式 3-4

𝑟

2𝐺𝑀

𝑣>√ 𝑟

式 3-5

太陽は水素の核融合反応により大量のエネルギーを生産していますから、ほぼ一定のエネルギーを周囲に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 3-1 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。太陽と異なり惑星は自身でエネルギーの生産をしていませんから、誕生当時の太陽系の惑星は太陽とほぼ同じ程度の高い温度にあったと思われますが、次第に各惑星の大気の温度が下がってきました。近年になり宇宙船などで太陽系の惑星の大気の温度と成分比がかなり詳細に調べられましたので表 3-1 に掲げます。
種々の気体の分子量と地球の脱出速度(11.18 ㎞･s-1)を式 3-2 の v に代入して太陽の表面温度までの温度に対する、1mol 当たりの脱出速度を持つ気体分子の数を算出して図 3-2 に纏めました。温度 5000K において脱出速度で運動する水素とヘリウムの分子はそれぞれ

分子数
mol-1
1

1.8x1011 個 ･ mol-1 と 1.8x1018

1E-20個･mol-1 含まれています。同

1E-40

じように、分子量 2 の水素に対して太陽系惑星の脱出速度

1E-60

を式 3-2 の v に代入して、脱1E-80

出速度を持つ分子の割合を温

1E-100度に対して算出し図 3-3 に纏めました。外側の軌道を周回

H2
He
CH4
NH3
H2O
N2
CO
NO
O2
CO2

0

2000

4000

6000 大気温度K

図 3-2 脱出速度を持つ気体分子の地球大気中の分子数23している木星と土星は脱出速度を持つ水素分子の存在確率が大気中にほとんどないと思われます。黒色線と紫色線で示す天王星と海王

分子数/mol

火星

1

金星
地球

1E-25

天王星

1E-50

海王星

星は宇宙のかなたに脱出可能な水素分子がほ

1E-75

土星

んのわずかに存在しま

1E-100木星

すから大気中の水素存
在比が多少減少すると思われますが、木星と1E-125

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000 絶対温度K

図 3-3 脱出速度を持つ水素分子の惑星大気中の分子数

土星の大気中に水素分子がほとんど保持され現在に至っていると考えられます。これに対して内側の軌道を周回している地球の兄弟星と考えられる金星と火星は黄色線と褐色線から、脱出速度を持つ水
素分子の割合が地球よりもさらに高いことが示されます。図 3-3 から推測されるこれらの惑星の大気中の水素存在量の傾向は多くの宇宙船や光学的な分析結果を総合した表 3-1 に掲げた大気の成分比をよく反映しています。

冥王代の地球の大気
A 子さんが恋人として B 君との付き合いを決心したり、結ばれていた A 子さんと B 君が別れを決心したりするためには、気持ちの整理をし、家族や周囲のことも考え合わせて種々の障害を乗り越えなければなりません。当然、生活環境や生活観の違いや家族の反対や遠距離恋愛などの大きな障害がある場合には、A 子さんと B 君の恋愛物語の進展は遅くなります。同じように万物の変化においてもその起こる前の系 A から比較的エネルギー的に不安定な中間の状態を越えて変化後の系 B へ

エネルギー

進行してゆくと考えられます。系 A から系 B への変化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の障壁あるいは峠と考えられる状態を遷移状態と呼んでいま

ΔG‡
AB

ΔG‡
BA

すが、この遷移状態と両系の関係を図 3-4 に模式化した反応座標に示します。峠を越えて山向
こうへ行くときに、峠が高ければ容易に山を越系AΔGすことができませんから、ゆっくりと長時間かけて峠道を登ります。同じように、遷移状態の山が高ければ高いほど大きなエネルギーを必要
24

系B
反応座標

図 3-4 反応座標と自由エネルギー

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。
系 A から遷移状態への変化に要するエネルギーを活性化自由エネルギー（ΔG≠）と呼んでいますが、遷移状態は系 A よりもエネルギー的に不安定ですから、ΔG≠が正の値を持つ吸熱反応と考えられ、エネルギーを加えなければ遷移状態に到達しません。次に、付き合いを決心した後に A 子さんと B 君が幸せな二人の生活を夢見て邁進するように、エネ
ルギー的に不安定な遷移状態から安定な系 B への峠を下るような変化は、ΔG≠が負の値を持つ発熱反応ですから、エネルギーを放出しながら速やかに進行します。このような系
A から系 B への変化の活性化自由エネルギーΔG≠と反応速度定数ｋAB の関係を Arrhenius
は式 3-6 に纏めました。逆に、結ばれていた A 子さんと B 君が別れてお互いの束縛から解放されるように、系 B から系 A への変化も同じように峠を越えて進行しますから、逆反応の活性化自由エネルギーΔG≠と反応速度定数ｋBA の関係も式 3-6 で表すことができます。
ただし、R は気体定数、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。
万物の多くの変化において、系 A から遷移状態を越えて系 B に反応が進行して行きま
すが、同じ遷移状態を越えて系 B から系 A への逆反応も進行します。このように同じ遷移状態を通って両方向の反応が進行する可逆反応において、系 A から遷移状態までの活性化
自由エネルギーの供給により系 B へ反応が進行しますが、系 B から遷移状態までの活性化
自由エネルギーの供給により系 A への反応も進行します。反応の初期には系Ａの濃度が大きいために系Ａからの反応が早く、系 B の濃度が小さいために系 B からの反応は早くありませんが、次第に系 A からの反応が遅くなり、系 B からの逆方向の反応が早くなり、最終
的に両方向の反応の速さが等しくなって平衡状態に達します。図 3-4 のような系 A と系 Bの間の可逆平衡反応において自由エネルギー変化ΔG は式 3-7 で示される両方向の反応の活性化自由エネルギーΔG≠の差ですし、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 3-6 より式 3-8 のような関係を導くことが出来ます。

𝑘𝐴𝐵 ＝𝜒𝑒

Δ𝐺≠
𝐴𝐵
𝑅𝑇

−

𝑘𝐵𝐴 ＝𝜒𝑒

Δ𝐺≠
𝐵𝐴
𝑅𝑇

−

≠
≠
Δ𝐺＝Δ𝐺𝐴𝐵− Δ𝐺𝐵𝐴

𝐾＝

𝑘𝐵𝐴
𝑘𝐴𝐵

= 𝜒𝑒

≠
Δ𝐺≠
𝐴𝐵 −Δ𝐺𝐵𝐴
𝑅𝑇−

頻度因子χを 1 として、この式に自由エネルギー変化ΔG の値を代入しますと絶対温度 T における平衡状態の系 A と系 B の割合は図 3-5 に示すような曲線となり、Δ
G＝0 のときに両系は等しい割合になります。また両系の自由エネルギー変化が

式 3-6
式 3-7

Δ𝐺

= 𝜒𝑒 −𝑅𝑇

式 3-8

成分比

100%
75%
50%

系A
系B

25%
0%
-4

1kcal ･ mol-1 で 平 衡 は 15.6 ％ ま で 偏 り 、

-3

-2

-1

0

1

2

ΔG（kcal/mol）

図 3-5 平衡反応の成分比
2533kcal･mol-1 では 99.4％までは平衡が偏りますからほとんど変化が完結してしまいます。
前節で見てきたように太陽系の外側の軌道を周回している木星と土星は脱出速度を持
つ水素分子の存在確率が大気中にほとんどないと思われますし、天王星と海王星は宇宙のかなたに脱出可能な水素分子がほんのわずかに存在しますから大気中の水素存在比が多少減少すると思われます。このように推測されるこれらの惑星の大気中の水素存在量の傾向
は表 3-1 に掲げた大気の成分比をよく反映しています。これに対して内側の軌道を周回している金星と地球と火星の兄弟星は脱出速度を持つ水素分子の割合の高いことが示されます。約 46 億年前に誕生した地球は非常な高温でしたが冥王代と呼ばれる約 6 億年の間に次第に冷えて現在の温度に近い大気となってきたと思われます。
第 2 章の「共有結合」の節で見てきたように、非常に高い温度においては原子の持つ分子運動エネルギーが非常に大きく共有結合を維持することができませんから、原子の状態で存在しています。表 2-3 や図 2-3 に示したように水素や酸素や窒素の分子は 6000K 以
上の高い温度においても共有結合を維持することができますから分子として存在しますが、水やアンモニアの分子は原子の運動エネルギーが大きいために高温では不安定で分子を構成することができません。室温では水

H2

0.5O2

H2O

素と酸素の混合気体は爆鳴気とも呼ば

水素

酸素

水

れ大量のエネルギーを放出しながら水

1.5H2

0.5N2

NH3

を生成しますから、図 3-6 に示すよう

水素

窒素

アンモニア

E(H2O)
E(NH3)

図 3-6 水とアンモニアの平衡な平衡式にまとめられます。式 2-9から算出される水素と酸素の運動エネルギーE と結合エネルギーの総和から水の運動エ
ネルギーE と結合エネルギーを差し引いた値 E(H2O)を図 3-7 に水色線で纏めました。この図から明らかなように 4200K 以上の高温では E(H2O)は負の値をとりますから水の生成反応は吸熱反応で水素と酸素の分子で存在する方が安定ですが、4200K 以下では水の生成反応が発熱反応ですkcal/mol

から、水素と酸素の混合気60

体からの水が自働的に生成40すると思われます。実際、

20

2200K で は 水が一度分解し

0
0

1000

2000

3000

4000

た後に水素原子と酸素原子が再結合して、より安定-20

E(H2O)
E(NH3)-40

図 3-7 水とアンモニアの生成反応の生成熱
26K

な水素分子と酸素分子になりますが、2700K 以上では再結合によるエネルギーの安定化よ
りも熱エネルギーの方が大きいために原子状気体のままでいると報告されています。このような経過で 43 億年前の冥王代の終わり頃には地球上に大量の液状の水が溜まり、海が形成したと考えられています。

同じように式 2-9 から算出される水素と窒素の運動エネルギーE の総和からアンモニアの運動エネルギーE を差し引いた値 E(NH3)を図 3-7 に紫色線で纏めました。水素と窒素の混合気体は 4700K 以上ではそれぞれ気体分子として存在しますが、4600K 以下になるとアンモニアへの発熱反応が進行します。戦争に欠かせない爆薬の原料も農作物の増産に欠かせない窒素肥料も 19 世紀以前には自然界から入手できる硝石などの窒素化合物ばかりで空気中の窒素は利用できませんでした。1906 年に Haber と Bosch は大気中の窒素と水素からアンモニアの生産に成功しましたので、爆薬の原料や農業用の肥料の潤沢な供給が可能になり、軍事力の拡充と食糧難の解決に結び付き、世界大戦の勃発と人口の爆発的な増加を誘発しました。この Haber と Bosch のアンモニア合成法は水の分解による水素と大気中の窒素を非常な高圧で圧縮して鉄などの触媒下、最適温度 700～900K の高温に加熱するものです。図 3-7 の紫色線が極大値を示すことから約 800K において水素と窒素からのアンモニアの生成は最も効率的に進行すると思われ、Haber と Bosch のアンモニア合成法の最適温度と符合します。
系外への分子の飛散などで乱れた存在確率が分子同士のエネルギーの遣り取りにより比較的短時間に一定の存在確率を復元しますので、毎秒ごとに脱出速度以上の速度を持つ分子が宇宙の彼方へ飛散してゆくと仮定し、式 3-2 が指数関数ですから脱出速度以上の速度を持つ分子の総数は脱出速度を持つ分子数の約 2 倍と見積もりますと、分子の系外への飛散に要する時間 t が式 3-9 のように概算できます。金星と地球と火星の 3 つの兄弟星について式 3-9 の速度 v と分子量 Mwにそれぞれ脱出速度と 2 を代入

年数1000000000
1000000
地球
金星
火星

1000

するときにそれぞれの惑星の大
気中の水素がほぼ完全に宇宙の1

かなたに飛散する期間 t が概算0.001

できますので図 3-8 に纏めました。この図から地球上の水素は

500

1000

1500 大気温度K2000

図 3-8 大気中の水素の飛散に要する年数

気温が 2000K の時に約 4000 万年（4x107 年）でほとんど飛散し、火星では 900K でも 1 年で飛散すると見積もられます。冥王代の地球において、1600～2000K の温度まで冷えてきた期間に水素分子の一部は水に変化し他の大部分は宇宙のかなたに飛散してしまい、さらに地球の気温が 1400K 以下まで下がったときには、すでに十分な水素が地球上に残っていませんでしたので、図 3-6 に示すようなアンモニアの生成反応は進行せず窒素が気体分子
27として大気に残ったと考えられます。このように 3 つの兄弟星の大気中に存在していた水素分子はすべて宇宙のかなたに飛散してしまい、現在の大気中には水素が全く含まれないと考えられます。

𝑡=

1

式 3-9

3
𝑀𝑤𝑣2
𝑀𝑤 2 (− 2𝑅𝑇 )24𝜋𝑣 (2𝜋𝑅𝑇) e

表 3-1 に示したように火星の脱出速度が小さいために水素も窒素も酸素も宇宙のかなたに飛散してしまいました。金星は地球と同じ程度の脱出速度を持っていますが地球より内側の軌道を周回していますから、冥王代に相当する誕生から数億年間の金星の気温が地球上よりも高いために、式 3-2 から求められる脱出速度を持つ分子の割合が高くなっています。このように金星と火星の大気中からは分子量の小さな水素や窒素や酸素ばかりでなく水やアンモニアも宇宙のかなたに飛散してしまいました。これらの気体と比較して分子量の大きな二酸化炭素は分子運動の速度が遅いために兄弟星の金星と地球と火星の大気中に残ったと思われます。ちなみに、月の脱出速度は 2.38km･s-1 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。8 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。

石灰石の生成前節で見てきたように高温の状態にあった誕生時から次第に冷えてきた冥王代の地球において、1600～2000K の温度まで冷えてきた期間に水素分子の一部は水に変化し他の大部分はヘリウムとともに宇宙のかなたに飛散してしまい、さらに地球の気温が 1400K 以下
まで下がったときには、すでに水素も酸素も地球上に残っていませんでした。そのため図3-6 に示すようなアンモニアの生成反応はもはや進行せず窒素が気体分子として大気に残ったと考えられます。太陽系の 8 個の惑星の情報を表 3-1 に掲げましたが、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からこれら 3 つの惑星は 46 億年前に同じように誕生した兄弟星と考えられ、軽く小さい惑星のために脱出速度が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した。兄弟星の金星や火星と同じように大気中に存在していた水素分子はすべて宇宙のかなたに飛散してしまい、冥王代の終わりには地球の大気は主に窒素と水と二酸化炭素で構成されていたと考えられます。しかし、
表 3-1 に示すように現在の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はわずかに 0.03%しか二酸化炭素を含んでいません。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。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と思28

われます。
長野県八ヶ岳山麓に設置された野辺山宇宙電波観測所などの電波望遠鏡により宇宙に存在する水やアンモ
ニアやメタンや硫化水素や一酸
化炭素や一酸化窒素やメタノールやアセチレンなど 100 種類以上の分子の存在とその濃度が確

表 3-2 分子量の小さな星間物質の分子量
分子式 分子量
分子名
分子式H22.0 メタノール
CH4OHe
4.0 シランSiH4
CH416.0 ホスフィン
PH3
NH3
17.0 硫化水素
H2S
H2O
18.0 塩化水素
HCl
HF
20.0 フッ素
F2
Ne
20.2 アルゴン
Ar
C2H2
26.0 メチルアセチレン
C3H4
HCN
27.0 シクロプロパン
C3H6
B2H6
27.7 プロピレン
C3H6
CO
28.0 亜酸化窒素
N2O
N228.0 二酸化炭素
CO2
アセトアルデヒド
C2H4
28.1
C2H4O
NO
30.0 酸化エチレン
C2H4O
ホルムアルデヒド
CH2O
30.0 プロパン
C3H8
エタン
C2H6
30.1 エチルアミン
C2H7N
メチルアミン
CH5N
31.0 二酸化窒素
NO2
酸素
O2
32.0 エタノール
C2H6O
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

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

認されていますが、参考のために分子量が 50 以下の比較的小さな分子量の物質を表 3-2 に纏めて掲げました。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 3-2の緑色地に掲げた分子量がそれぞれ 28 と 27 の窒素やシアン化水素は宇宙に飛散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。冥王代の終わりには、表 3-2 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

表 3-3 海水中の元素組成

いう 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球
元素名

元素記号

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

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

を形作りました。
この豊かな水の影響を受けて太陽系の惑星が誕生してからの 46 億年の間に、兄弟星でありながら地球だけが独自の変化を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、機械的風化により礫や砂に破砕され、土にまで微細化されて、

29

組成（％）
1.89801.05600.12720.08840.04000.03800.00650.00320.00130.00110.00050.00020.0001

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 3-3 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て化学の教

表 3-4 気体の溶解度（g･(100g H2O)-1）

科書として翻訳した舎密開宗の原本の

気体

溶解度

気体

溶解度

Elements of Experimental Chemistry の著者

He

0.00017

C2H4

0.028

Henry は気体が水に溶ける現象を研究し

H20.00019

C2H2

0.2

たことでも知られています。 地球に大量Ne

0.0011CO20.335にある液状の水は大気を構成する全ての気体

N2

0.0029H2S

0.71を溶かしますが、その溶け易さは気体の種類

CO

0.0044SO222.8

や水の温度や気圧により大きく異なります。

O2

0.007

HCN

68.7

Kh は物質に固有の定数でヘンリー定数と呼

CH4

0.004

HCl

84.2

ばれ、気体の圧力を p 気体の溶けた溶液の水

C2H60.0132NH387.5のモル数を nwater、溶け込んだ気体のモル数を ngas、とするとき式 3-10 に示すヘンリーの法則を見出しました。表 3-4 には種々の気体の大気圧(1013hPa)の下 0℃における溶解度を纏めました。表 3-4 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やシアン化水素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や青酸などの酸性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、水に非常によく溶けます。

𝑝＝𝐾ℎ ∙𝑛𝑔𝑎𝑠

式 3-10𝑛𝑔𝑎𝑠 +𝑛𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

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－酸素結合は僅かながら炭素原子が陽イオン性を持ち、酸素原子は僅2.3x1018esu/cm

かに陰イオン性を帯びて結合双極子モーメントを示しまC 0.116nm

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

O

180°

O

図 3-9 二酸化炭素の構造ん。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30

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
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、図 3-9 に示すように炭素原子を中心とする直線構造を取ると考えられます。
二酸化炭素は図 3-9 で示したように炭素原子を中心に 2 本の炭素＝酸素 2 重結合が直線状の構造をしていますから、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 3-10 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、炭酸はわずかながら水の中で炭酸イオンや炭酸水
素イオンに解離します。水の中で炭酸に変化しO

ますから二酸化炭素は見掛上酸素の 48 倍に相

C

H2 O

O

二酸化炭素

当する水 100g 当たり 0.34g 溶け、かなり良く溶ける気体と考えることが出来ます。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O

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

C

-H2O

O H+
O -H

+

OH
O

C

炭酸

OH

H+ -H+
O
O C
OH

炭酸イオン
炭酸水素イオン
図 3-10 二酸化炭素と炭酸の平衡反応

加反応して図 3-10 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。
式 3-10 で示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
表 3-5 水に対する金属塩の物質の溶解度 (g･(100g)-1)

な発泡酒は高い圧力で二酸化炭素を溶かし込んで

Cl－

NO3－

OH－

CO32－

HCO3－

SO42－

高い濃度の炭酸として存

Na+

36

88

63.5

21.5

9.6

19.8

在していますから、栓を

K+

34

31.6

112

52.5

24.9

107

開けて圧力を下げますと

Mg2+

54.5

42.1

二酸化炭素が一気に気体

Ca2+

74.5

56.39

0.17

4x10-3になり泡となって逃げて

Al3+

47.3

73

9x10-4

ゆき炭酸の濃度が低下し

2+

Fe

115.1

83.8

-6

ます。しかし栓を開けて

Fe3+

91.9

46.6
31

26.2

7x10

0.17

0.208
26.7

7x10

-3

26.5

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 3-5 に示すように水によく溶けますが、炭酸水素塩(HCO3－)はかなり溶け難く、炭酸塩(CO32－)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 3-10 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中に存在しますから、図 3-11 の反応により水に対する溶解度の低い炭酸カルシウムが白濁して沈殿を始めます。この白濁する反応は鋭敏ですから、
二酸化炭素の存在を確かめる呈色反応としてしばしば利用されCO2 + CaO

CaCO3

CO2 + H2O
H2CO3
CaO + H2O
Ca(OH)2
H2CO3 + Ca(OH)2
CaCO3 + 2H2O
図 3-11 水中で二酸化炭素の沈殿する反応ています。
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りました。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 3-10 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

表 3-6 地殻中の主な化合物組成（％）

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

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

32

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

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 3-6 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、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 46 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。

大気を空調する海の水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、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 3-11 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。また、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 2-2 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、
33

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。
𝑎𝑏

式 3-11

𝐸𝑉𝑊 = 𝑟 12 − 𝑟 6

わずかながら原子上に電荷を持った結合で原子が結ばれて出来ている分子は分子全体として電荷の偏りを生じますから、水も分子全体として電荷の偏りを持っています。式 51 からも明らかなように、正電荷を持ったものと負電荷を持ったものは引き付けあいます
から、水分子の正電荷を持った水素原子の部分が隣の水分子の負電荷を持った酸素原子の部分に引き付けられますし、負電荷を持った酸素原子の部分がまた別の水分子の正電荷を持った水素原子の部分に引き付けられます。このような静電的な引力の他に、水素原子の瞬間的な配位結合による引力も働きます。水の解離定数（pKa）は 15.7 ですから弱いながらも酸性を示す物質であり、常に水素陽イオン（H+）と水酸化物イオン（OH－）に若干解離しています。また、水素陽イオンの最外殻軌道は電子で充足されていませんし、水の酸
素原子は最外殻に 2 個の電子で充足した軌道を持っていますから、水の酸素原子は水素陽イオンと配位結合する性質を持っています。このとき、水素陽イオンは水素の原子核の周囲に電子の充足していない球状の軌道を持っていますから、水の酸素原子の 2 個の電子で充足した軌道軸上で配位結合します。そのため、水から解離した水素陽イオンが隣の水分子と瞬間的に配位結合して水分子上の水素の交換を起こします。図 3-12 に示すような水分子の水素原子が隣の水分子にHb結合を変更してゆく交換が瞬

Hc

O

Hb

a

H

Ha
a

O

H

Hb

O

Hc

Hc

図 3-13 水の H 交換平衡時に起こるため、水素原子は原子価が 1 でありながら、あたかも水素原子が 2 つの酸素原子と直線状に結合しているよ
うな性質を示します。電子で充足されていない水素原子が窒素や酸素やフッ素などの原子の電子で充足した軌道軸に接近するときに配位結合は結ばれますから、電子で充足した 2個の軌道が水素原子を挟んで直線状に並ぶときにのみ水素結合の分子間力が働きます。
炭化水素などの分子間力と比較して、この水素結合の強さが水の場合には約 6kcal･

mol-1 と非常に大きく見積もられています。水分子の酸素原子のそれぞれの電子で充足した軌道が互いに水素原子を挟んで直線状に並ぶときに、水は沢山のくの字型に曲がった水H
H

O

分子が互いに引き付け合い、3 次元の網目状Oに絡み合った一塊として挙動すると考えられHます。液状の水は模式的に考えれば図 3-13 に示すように水の分子が水素結合により 3 次元の網目状に絡まった構造をとっていると思われます。窒素原子や酸素原子やフッ素原子は

H

O

H

O
H

図 3-12

34

H

H

H

O

O

H

H

H

O

H

O

O
H

H
H

H

H

O

水素結合

H

H

水の構造の模式図

表 3-8 水素結合の強さ

最外殻に 2 個の電子で充足した軌道を持っていますし、
水素陽イオンの最外殻軌道は電子で充足されていません

種類
O-H…N
O-H…O
C-H…O
N-H…O
N-H…N
N-H…F
F-H…F

から、酸素原子や窒素原子は水素陽イオンと配位結合する性質を持っています。水素結合が瞬間的な配位結合による引力と分子の間に働く静電的な引力を総合したものですから、強さには大小がありますが 2 つの酸素原子の間以外にも窒素原子や酸素原子やフッ素原子などの種々の 2 つの原子が水素原子を中間に挟んで位置するときに強さ(kcal･mol-1)
7
6
2.6
2.3
4
5
7

も水素結合が認められます。 表 3-7 には炭素原子、窒素
原子、酸素原子、フッ素原子の間の水素結合エネルギーの大きさをまとめておきます。
第 3 章の「共有結合」の節で示したように理想気体の状態方程式の理想気体定数 R を
1.9855 cal･mol-1K-1 とするとき、原子量 m の原子 n mol の持つ運動エネルギーE は式 2-9 のように書き換えることができ、運動エネルギーE は低温では小さく温度 T が高くなるほど大きくなり原子が激しく運動します。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。理想気体ではありませんから液体や固体は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

表 3-7 気体の融点、沸点
融点

沸点

℃

℃

4.0

-272.2-268.9Ne

20.2-248.7-245.9

るよりも早く動き回りますから、分子の間隔が大

Ar

39.9

-189.2-186.0

きくなり液体や気体になり易い性質を示します。

H2

2.0

-259.1-252.8

逆に、大きな分子量の分子の動きは鈍くなります

N2

28.0

-209.9-195.8から、分子間力に負けてしまい、固体の状態を取

O2

32.0

-218.4-183.0

りやすくなります。しかも、分子に電荷の偏りの

O3

48.0

-193.0-110.5ない分子では、分子間の距離が僅かに遠く離れま

Cl2

70.9

-101.0-34.1

すとその相互作用は格段に減少して分子間力は無

NH3

17.0

-77.7

-33.3

視できるほどに小さくなりますから、温度の上昇

CO

28.0

-207.0-192.0に伴い固体から液体に変化する融点も液体から気

CO2

44.0

-56.6

-78.5

体に変化する沸点も低温を示します。これに対し

CH4

16.0

-182.5-161.6て大きな電荷の偏りを持つ分子では、分子間距離

H2O

18.0

0.0

100.0

が多少大きくなっても分子間力が僅かしか減少せ

SO2

64.1

-75.5

-10.1

物質

分子量

分子量の小さな分子は早く運動します。軽くて小He

さい分子は低い温度でも分子間力により束縛されませんが、運動エネルギーが温度により変化し、35

ずその影響が残りますから、融点も沸点もかなり高い傾向を示します。
液体の状態では物質の中を分子は自由に動き回っていますが、温度が高くなるに伴い運動エネルギーが大きくなりますから、分子が動き易くなり流動性が上がって粘性が下がってきます。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。液体から気体の状態に変化する沸点においても、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらしますが、吸熱的な分子間力の減少が発熱的なエントロピー変化に優りますから、液体はエネルギーを加えなければ気化しませんし、気体は発熱しながら液化します。
地球の大気中には種々の気体が混在しており、その成分とその割合は誕生以来の 46 億
年の間に変化してきました。大気を構成する種々の気体は対称性が高く分子の中の電子の偏りがありませんから、融点も沸点も生物の生活温度よりはるかに低温ですが、地球上に大量に存在する水は分子の対称性が小さく大きな電荷の偏りを持っていますから、表 3-8 に示すように相対的に高い融点と沸点を示しており、地球上に大気とともに液状の水が常に共存しています。氷から水へ、水から水蒸気へ状態が変化するときには、加熱により加えられるエネルギーは分子間力の変化とエントロピーの変化に費やされます。示差走査熱量計は測定試料に一定の熱量を加え続けるときの試料の温度変化を測定する精密測定機器ですから、液化に費やされる熱エネルギー（液化熱）を測定できこのときの温度から融点も知ることができます。図 3-14 は 1 気圧（101000Pa）の下で 1g の氷を暖めたときに加えられる熱量とそのときの温度の上昇をグラフに表したものです。この図で分かるように、氷から水や水蒸気への変化に伴う大きな熱の収支がありますが、特に水蒸気になるための大きな気化熱を必要としています。気化は液状の物質から気体分子として飛び出すことをいいますが、水の場合には水素結合により絡み合っているために飛び出し難くなっています。
結果的に沸騰し難くなって高い沸騰点と大きな気化熱を示し、沸騰している水は温度が上昇をせず、完全に水蒸気

温度（℃）

として気化するまでその温度を 100℃に維持しま

気化熱

100

す。また、水素結合などの分子間力により強く結融解熱

0び付けられて氷になっている水分子が自由に動き回れる液状の水になるためにも多くのエネルギーを要するために、高い氷点(融点)と大きな融解熱

-100
-200
0

200

400

600

800
熱量（cal）

図 3-14 １気圧下で 1g の水の温度上昇曲線

36（1.43kcal･mol-1）を示します。図 3-14 から、水が沸騰を始めてから完全に蒸発し終わるまでに 9.72kcal･mol-1 の大きな熱量（気化熱）を要することが分かります。このことは水を100℃より高い温度に温めるためには極めて大量のエネルギーを要し、0℃より低温に冷やすためには大量のエネルギーを奪って冷却しなければなりません。
絶対零度（—273.16℃）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定圧モル比熱（熱容量）Cp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。物質の量が多ければ多くのエネルギーを必要としますが気体の場合には 1 mol の気体はすべて同じ体積を持っていますから、表 2-3 には 1mol の気体を 1℃上げるに要するエネルギー量（定圧モル比熱）を掲げておきます。昼間は太陽のエネルギーを受けて温度が上がり、夜間は受けませんか
ら下がります。地球を覆っている大気を構成している種々の気体はそれぞれ異なる大きさの定圧モル比熱 Cp 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。さらに、水が大きな融解熱と気化熱を示すために、ほとんど水分の存在しない砂漠地帯と液状の水の共存している沿岸地帯では温度変化の状況は多少異なります。
砂漠地帯と沿岸地帯を模した 1 滴の水分もない気温 25℃湿度 20％の大気と 800g
（44.4mol）の水に接する気温 25℃湿度 50％の大気それぞれ 1m3 を、温度上昇させるに要するエネルギーと冷却するために放冷するエネルギーを各種の気体の定圧モル比熱と水蒸気
圧と水の気化熱や融解熱を考慮して概算してkcal/m3

図 3-15 に示しました。図 3-15 の赤色線で示

500

す砂漠地帯ではわずかなエネルギーの遣り取りで気温が大きく変化しますが、図 3-15 の水色線で示す液状の水が十分に存在する沿岸

400
沿岸地帯（湿度50％）

300

-1

地帯の環境でも 20kcal･kL 以下のわずかなエネルギーの遣り取りで気温が 0～50℃の範囲

砂漠地帯（湿度20％）200

で変化します。しかし、沿岸地帯の環境ではその範囲を超えた低温と高温への気温変化に100

は水の存在が大きく影響して大きなエネルギ

0

ーの遣り取りを要します。この模擬的な条件
よりも多量の水が存在するときには、0℃と

-100
-20

100℃における融解熱と気化熱の大きな影響を受けてエネルギー消費が増大します。

0

20

40

60

80

100 ℃

図 3-15 気温の変化に要するエネルギー

地球表面の約 71％は海で覆われていますから、平均的な環境は沿岸地帯の環境に近いものと考えられ、0～50℃の温度範囲を超えて大気の温度変化が上下するときには多大なエ
37ネルギーの遣り取りを要します。特に海の水が全て蒸発するまで気温が 100℃以上に上昇することはありません。言い換えれば、海の水は地球の大気の空調の役目を担っています
から、地球は生物の生活に適した温度範囲の大気で覆われた非常に温和な気候を保っています。

アデニンとグアニンの生成
ベンゼン環は平面正 6 角形で 6 本のσ結合上に 3 本のπ結合が拡がり、直交軸上のπ電子は大きな共鳴エネルギーを持って安定化します。ベンゼンに代表される芳香族化合物は炭素を中心原子とする物質の中でエネルギー的に最も安定な性質を示し、熱や光の影響を受け難く極めて安定で堅牢な平面構造を持っています。ベンゼンの正 6 角形の環を構成しHている 1 つの炭素原子が 1 つの窒素原子で置き換えられたピリジンは図 3-16 に示す
ように環の中に 3 本の多重結合が隣り合っ

H

N
H

H

H

H

芳香族性を示しますので、このように炭素が窒素で置き換わった化合物は芳香族

N

ピリジン

た構造を持っていますから、ベンゼンと同じように安定で堅牢な平面構造を持ち

H

N H
H

H

N

ピロール

H

複素環化合物と総称されています。
このピリジンは図の青色で示した窒素

図 3-16 基本となる芳香族複素環の構造

原子の非結合性の電子対が環平面上で外側を向いて出ていますから、水素結合に適した塩
基の部分となることが出来ます。また、ベンゼンの隣り合った 2 つの炭素原子が 1 つの窒素原子で置き換わった 5 角形の構造を持つピロールは図 3-16 に示すように窒素の非結合性の電子対と 2 本の多重結合が環の中で相互作用をして、ベンゼンやピリジンと同じように安定で堅牢な平面構造を持つ芳香族性を示します。このピロールの窒素の電子対は芳香族の安定化に寄与しているためほとんど塩基性を示しませんが、炭素原子や水素原子などと結合出来る 1 本の結合を環の外に持っています。
ベンゼンの 2 つの炭素原子が 2 つの窒素原子で置き換わった芳香族複素環化合物は図3-17 に示すように 3 種類存在しますHが、2 つの窒素原子の間に 1 つの炭素

H

H

H

原子が挟まった構造のピリミジンは

N

H

かなり安定で水素結合に適した 2 つ

H

H

N

ピリダジン

の塩基の部分を持っています。まH

ラゾールとイミダゾールも図 3-17 に示すように安定で堅牢な平面構造を

H

N

H

ピリミジン

H

N

H

N

H

ピラジン
H

H
N

た、ピロールの炭素原子がピリジンのように窒素原子で置き換わったピ

H

N

H

N
N
H

ピラゾール

N

N
H

N

H

H

イミダゾール

H
H

N

プリン

N
H

図 3-17 複数の窒素原子を含む芳香族複素環38持つ芳香族性を示します。これらの 2 つの窒素原子を含む化合物は水素結合に適した塩基の部分を持っており、これらの 5 角形の構造を持つ一連の化合物も芳香族複素環化合物と呼ばれています。ピリミジン環とイミダゾール環が接するように繋がったプリン環も図 317 に示すように 2 つのベンゼン環が繋がったナフタレン環のように芳香族性を示します。
太陽などのすべての恒星は陽子（水素の原子核）の核融合反応による膨大なエネルギ
ーで輝いています。この膨大なエネルギーは電磁波や中性子や陽子を恒星の周囲に放射します。宇宙の遠い彼方に存在する分子に中性子や陽子が衝突した時に放射される電磁波が非常に微弱ながら地球に到達しますから、長野県八ヶ岳山麓の野辺山宇宙電波観測所ではこのような電磁波を観測して宇宙に存在する多くの分子の存在とその濃度を調べています。
ウミヘビ座の M83 は比較的小さな望遠鏡でも 4 月の下旬に南寄りの空に観測できる渦巻銀河ですが、この観測所の村岡和幸研究員らはこの渦巻銀河 M83 の中心部分で 89GHz のマ
イクロ波を発するシアン化水素と一酸化炭素の電磁波を観測した結果を報告しています。
報告によりますとその銀河の渦巻きの中で沢山の明るい星が光り輝いている部分ではなく、星も何もなさそうな暗い部分にシアン化水素分子が出す電波が強く観測されています。そして、シアン化水素分子からの電波が強い場所は星が全く存在しないのではなく分子が高い密度で存在しており、まさに新しい星が誕生しつつあると報告しています。
太陽程度の恒星の周囲ではシアン化水素の存在が確認されることが多く、太陽よりも低温で光る矮星では一酸化炭素などの分子の存在が観測されているにもかかわらずシアン化水素の存在がほとんど確認されません。太陽のような温度の高い恒星の内部では、陽子の核融合の連鎖反応により大きなエネルギーを産出していますが、同時に大量の陽子や中性子が副生しています。元素記号の左上付きの数字は原子量を表しますから陽子は 1H＋と表されますが、陽子と中性子と電子をそれぞれ p と n と e と便宜上表します。恒星の周囲に多く存在している一酸化炭素の酸素原子と中性子が衝突して式 3-12 の核反応が進行し、窒素原子と水素原子が生成してシアン化水素が生成します。このことから太陽のような恒星のまわりで一酸化炭素などの分子が集合してきますと、新しい星の誕生とともにシアン化水素の生成が進むと考えられますから、46 億年前に太陽の近くで誕生した原始地球の大
気中には水素とヘリウムの他に一酸化炭素、水、アンモニア、ホルムアルデヒド、シアン化水素が順に多く含まれていたと現在では類推されています。
16

O+𝑛 ⟶

3

H + 14N式 3-12

シアン化水素の pKa は 9.21 と報告されていますから、シアノイオン（N≡C⊖）と水素陽イ
オンに水の中ではわずかながら解離します。炭素≡窒素 3 重結合は電気陰性度の違いから
電荷の偏りがあり、炭素と窒素の原子上にはわずかながらそれぞれ正電荷と負電荷を帯びますから、シアノイオンがシアン化水素の正電荷を帯びた炭素原子に攻撃して二量化し、生じた負電荷を帯びた窒素原子がさらに近接するシアン化水素に連鎖的な攻撃を繰り返し、四量化して図 3-18 に黒字で示すような中間体が生成するものと思われます。最後にシアン化水素がもう 1 分子反応して五量化した後に、異性化を繰り返して芳香族性を示すアデニ
39

ンが図 3-18 に赤シアノイオン

字で示すよう生
ると考えられま

C

N

C

+

H

H

C

H

H

N

C

HCN

H
N
C

N

C

H

N

CO2
H+

N

N
HC

報告されていま

HO
O

N
C

C
N

C

H

HO

H

N

C

H2O

N

-H2O

C

O

C

N
C

N

H

NH
N

C

H

N
HC

N

C

C

H

N

H

N

C
C

NH2

NH

C

C

C

N

C
N
N
H
アデニン

CH

N

N

HC

N

HN

CH
N

C

C
C

N

HN

CH
N
H

O

C

N
CH
N
H

HN
H2N

C

HO

C
N
H

C
N

H
C
C

N
CH
N

H

NH3

O

H
C

C

N
H
イノシン酸
O

H

C

O

O

H

H

ンの燃焼熱はそ

C

C
N

H

C

C

C5H5N5 のア デニ

663.7kcal･mol-1 とCN

ン化水素に相当

2HCN
H
C

N

N

C

H

HN

が、5 分子のシア

H

N

C

C

H

で す

れより小さなCNの 燃 焼 熱 は

す る 分 子 式CHN

す。5mol のシア

793.0kcal

N

C

H C N
シアン化水素成して安定化す

ン化水素（HCN)

N

O
C
C

N
CH
N
H

-H2O
H2N

HN

C

C

N

C

C
N
N
H
グアニン

図 3-18 シアン化水素からアデニンの生成過程

すから、芳香族複素環化合物の共鳴エネルギーによる大きな安定性があると思われ、シア
ン化水素は何らかの触媒で発熱的に容易に縮合してアデニンを生成すると考えられます。
実際、フラスコに入れたアンモニア水の中にシアン化水素を溶かして長時間にわたり加熱
しますとアデニンが生成したと Oró が 1961 年に報告しています。表 3-4 に掲げたようにシアン化水素はかなり水によく溶けますから、冥王代の末期に地球上に海が出現しましたので、大気中のシアン化水素は海の水に溶け込んで存在したと思われ、アデニンに変化したと考えられています。
炭酸ガスもアンモニアも水に溶け易いのでアデニンの生成過程と同じように、シアノイオンが水の中でシアン化水素の正電荷を帯びた炭素原子を連鎖的な攻撃を繰り返し、生成した図 3-18 に黒字で示すような四量体の中間体が 1 分子の二酸化炭素と反応します。さらに異性化を繰り返して生成するイノシン酸にアンモニアが作用して、芳香族性を示すグ
アニンが図 3-18 に青字で示すように海の水に溶け込んで存在するようになると考えられます。二酸化炭素と水の燃焼熱は基準となる 0kcal・mol－1 と定義していますから、4mol のシ
アン化水素（HCN）と 1mol のアンモニア（NH3）の燃焼熱の総和が 645.5kcal･mol-1 と算出され、分子式 C5H6N5O のグアニンの燃焼熱はそれより小さな 596.9kcal･mol-1 と報告されています。このことから芳香族複素環化合物の共鳴エネルギーによる大きな安定性があると思われ、シアン化水素と二酸化炭素とアンモニアは何らかの触媒で発熱的に容易に縮合してグアニンを生成すると考えられます。
5 分子のシアン化水素が縮合したアデニンや 4 分子のシアン化水素と二酸化炭素とアンモニアが縮合したグアニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を持つプリン環
40

にアニリン性のアミノ基（NH2）やフェノール性の水酸基の付いた構造を持っていますか
ら、安定で水素結合に適した 2～3 の部位が平面構造の固有の相対位置を保ちつつ固定されています。アデニンとグアニンは生物の発生より以前の冥王代末期にはすでに海水中に存在していたと考えられますし、生物の進化にこのアデニンとグアニンの特異な性質は非常に適していましたから、生命活動を維持する上で不可欠な DNA や RNA をはじめ、生体内でエネルギーの伝達をする ATP や酸化・還元反応を司る NADPH や種々の酵素や補酵素などの分子の一部としてアデニンとグアニンが取り込まれて重要な働きをしています。

大気中に再登場した酸素
地球の誕生から 6 億年後の冥王代末期には、図 3-6 に示す平衡反応により水を生成して大気中の酸素は微量になり、残った水素とヘリウムは軽くて拡散し易いので地球から完全に宇宙の彼方に飛散してしまいました。さらに、地球の気温が 373K（100℃）以下に冷えて、大量の液状の水が海となって地表を覆うようになりました。水素を全く含まない大気
中では図 3-6 に示す水素と酸素と水の間の平衡反応が水の分解する左方向にわずかながら進行し始めました。このような分解で生じた水素分子も宇宙に散逸してゆきましたから、その後の現在に至る 40 億年の間を通して、図 3-6 に示す平衡反応が僅かずつながら常に左方向に偏り徐々に海の水が減少するとともに大気中の酸素分子の割合が再び増加してゆき
ますが、その割合は微々たるものと思われます。
38 億年前の太古代には、二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しましたが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前になりますと太陽光のエネ
ルギーを利用して図 3-19 に示すような二酸化炭素と水の反応でブドウ糖を生成する単細胞OHの藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。多くの細胞が非常に組織立った集団を作って生命活動

O

H

C

炭酸

O
OH

H
ホルムアルデヒドを維持している現代の生物と異なり、藍藻類は細胞が藻のように集合して生活していますが、個々の細胞は独立してそれぞれ色素たんぱく質のフィコシア

HO

H
C

ニンを介した太陽光エネルギーの吸収による炭酸同HO
HO化反応により生命活動を維持しています。

ブドウ糖

このフィコシアニンは太陽光を吸収するフィコ

O2

C

CH2
C
C H
H

H O
C

C H
OH
OH

図 3-19 炭酸同化反応

シアノビリンにタンパク質が結合しており、フィコシアノビリンを構成する炭素と窒素と酸素の原子が図 3-20 に示されるようにクロロフィル a の赤色と青色で示す部分の原子と完全に同じ配列を持っています。しかも、フィコシアノビリンは二酸化炭素を還元し水を酸化する炭酸同化反応に要するエネルギーを太陽光から取り込む働きをしていますから、炭酸同化反応で二酸化炭素と水からのブドウ糖の生産に要するエネルギーを太陽光から取り込む葉緑素と同じ働きをしています。これらのことから植物の進化の過程で、フィコシア
ノビ
41

CH3

リンはクロロフィル（葉緑素）の原型になるもの

H3Cと思われます。

C

O O

NH

C
HN

C

HN

N

C

O

に 6 つの現象が大きく影

N

C

N

CH3

H
C

R
C

C
C

N

C

N

C

C
C
H3C CH
C
CH

C

H2C
O

Mg

C

CH2
O

CH
C

H2
C
CH3

CH
C

CH3

C
O

O CH3 CH3O CH2
R=CH 3: クロロフィルa
CH CH H2C CH
R=CHO: クロロフィルb
H3C
H2C CH2 H2C H
3

原因はいまだ明確には説明されていませんが、主

C
HC

C

OH
OH
フィコシアノビリン

C

C

C

C
C
C
H3C CHCCCH
H
CH2
H2C CH2 H2C
O

CH3

C

CH2

C

H3C

CH
C

われる氷河期と気温の高

HC
H
C

CH

HC

史の中で、地球の氷に覆返されてきました。そのC
CC

地球の誕生以来の歴

くなる間氷期が度々繰り

CH3

H2C

図 3-20 フィコシアノビリンと葉緑素の構造響しているのではないかと考えられています。太陽の活動が一定せず地球に届くエネルギ
ーが変化する現象や、地球の公転や自転の太陽に対する関係が変化するために地球上の各地へのエネルギーの配分が変化する現象。月と地球の間の相互作用の変化や大陸の移動により潮流が変化する現象。そして雪氷が取り込んで固定化される二酸化炭素など大気の組
成の増減による温室効果の変化する現象。さらに雪氷による太陽光の反射効率の変化する現象などで、これらが互いに影響し合っていると思われます。
ヒューロニアン氷河期と呼ばれる 21～24 億年前の原生代に、地球の歴史上初めて氷河が地球を広く覆いました。ヒューロニアン氷河期と前後して太陽光のエネルギーを吸収す
る色素たんぱく質のフィコシアニンを介して太陽光のエネルギーを活力にして生命活動を維持する藍藻類（シアノバクテリア）が出現してきました。この氷河期の終わりごろに海
水中や大気中の二酸化炭素の濃度が高くなり温度が高くなりましたので、生物の繁殖に適した環境が生まれてきました。環境に恵まれて藍藻類が爆発的に繁殖をしましたので、図3-19 に示すように二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、23~25 億年前の期間に上昇した大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。
その後、植物の繁茂と石炭の堆積などにより大気中の酸素は増加を続けましたが、周期的に訪れる氷河期の終る度に誘発する温度の上昇と二酸化炭素の増加する環境が生物の繁殖に繋がり大気中の酸素の増加を促進しました。氷河期が終わる度に大気中に二酸化炭素が増加して気温が上がり、それに伴い大気中の酸素が急増する現象は地質学的な検証により確認されているようです。このような過程を経て 6 億年前の古生代には、約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される現在の地球の大気になりました。

生物の生活圏を変えたオゾン
2 つの原子が接近してそれぞれの原子に属する電子の軌道が互いに相互作用するとき、原子間に引力の働くエネルギー的に安定な軌道と反発力が働く不安定な軌道の 2 つの状態
42

が生じます。相互作用により生じる不安定な軌道は、原子の単独の状態よりもエネルギー的に不安定な励起状態ですが、電子を含まないために 2 つの原子の間にはエネルギー的な不安定化は起こりません。同時に、それぞれの原子に属する電子はエネルギー的に安定な軌道に移動するために、軌道の相互作用によりエネルギーの安定な基底状態になり原子は互いに共有結合します。結合エネルギーの 2 倍に相当するエネルギーを外部から吸収する
とき、共有結合を形成している電子の 1 個が不安定な軌道に移り励起状態になります。
Plank の定数と真空中の光の速さと波長をそれぞれ h と c とλとしますと、フォトン 1 個の持つエネルギーが式 2-10 のように表すことができますから、原子 A と B の間の共有結合の結合エネルギーEAB は式 3-13 で表すことができます。
𝑁 ℎ𝑐

𝐸𝐴𝐵 ＝ 𝑎式 3-132𝜆ベンゼンは紫外

kcal/mol

線領域の 182、203、247、253、259nm に

130

極大吸収を示すのみ
で可視光線領域の光110をほとんど吸収しま
せん。この最も長波

H2
O2
N2
N≡N
O3

C-C
C-O
C-N
C=C

180

210

C-H
O-H
N-H
C6H6

90

長の極大吸収の波長を図 3-21 の黄色丸印

70で示すように式 3-13に代入して見積もっ5090

たベンゼンのπ結合

120

150

240 波長(nm)

図 3-21 結合エネルギーと紫外線吸収極大エ ネ ル ギ ー は表 2-2に掲げた 55kcal･mol-1 と一致しています。式 3-13 の関係を図 3-21 の水色線で表しましたが、種々の共有結合の結合エネルギー

表 3-9 各種気体の極大吸収と対応する紫外線吸収極大を合わ

化合物名

せて図 3-21 の上に記しました。赤窒素

97、102、112、168、199

色印は気体の分子の結合、青色印

酸素

133、201、283、303、758、1263

は炭素との結合、緑色印は水素とオゾン

252、303、352、602、1000

極大吸収（nm）の結合、黄色は窒素＝窒素結合と二酸化炭素 217

炭素＝炭素結合を構成するπ結合

一酸化炭素 109、115、119、155、164、179、205を取り上げておきました。なお、

アンモニア 194､152
123､139､186､760､970､1190､1450､1940

水素の吸収極大波長とオゾンの結水合エネルギーは参照できませんで硫化水素したので式 3-13 から算出しまし

二酸化硫黄 235、313、358、370、388
43

189

た。当然、光エネルギーを吸収した電子は不安定な軌道に移動して励起状態になります。
しかし、励起状態は不安定で大部分の分子は吸収した光と同じ波長の光を放出して元の基底状態に戻りますが、一部の分子は結合の開裂や分子構造の変化をもたらします。地球のはるか上空では可視光線をはじめ紫外線などあらゆる波長の光が太陽から降り注いでいますから、大気に含まれる種々の気体はこれらの太陽からの光に晒され、それぞれ固有の波長の光を吸収しています。種々の気体が吸収する光の極大波長を表 3-9 に掲げましたが、この表に掲げた窒素≡窒素結合を構成するπ結合の 168nm の吸収は弱いために、太陽から送られてくる光のうちの約 100nm より長波長の光はすべて窒素を主体とする大気を透過して地上に達します。
生物などを構成するほとんど全ての物質は共有結合で原子同士を結び付けています。
図 3-21 からも明らかなように、水素や炭素や窒素や酸素の原子の間の単結合は結合エネル
ギーが大きいために可視光線をあまり吸収しませんが、生物体が 100nm より長波長の紫外線の光に晒されればその生体を構成する結合が光エネルギーを吸収して一部で結合が切断されます。当然、生体の組織は損傷を受けますから、高いエネルギーを持つ短波長の紫外線の光は生物にとって非常に有害な作用をします。そのため、すべての生物は陸上には棲息することができず、表 3-9 に示すように水は約 200nm の紫外線まで吸収しますので短波長の紫外線から直接晒されない水中に棲息していました。
前節の「大気中に再登場した酸素」で見てきたように、25～30 億年前に大発生した単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）は太陽光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により二酸化炭素と水からブドウ糖を生産するとともに大量の酸素を副生しました。その後、植物の繁茂などにより大気中の酸素は増加を続け、地球誕生から 40 億年を経過した古生代には約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される現在の地球の大気になりました。
地球のはるか上空では可視光線をはじめ紫外線などあらゆる波長の光が太陽から降り注いでいますが、大気中に大量に増加した酸素分子がこれらの太陽からの紫外線を吸収すると
図 3-21 からも明らかなように 2 つの酸素原子を結んでいる結合が励起状態になり、酸素の共有結合が図 3-22 に示すように切断されて 2 個の反応性の高い原子状の酸素ラジカルを生成します。ここで生じた酸素ラジカルは近くに存在する酸素分子と即座に反応してオゾンを生成します。また、わずかに生成した

O2

オゾンも紫外線を吸収して酸素ラジカルと酸素分子に戻ります。このように一度
光エネルギーを吸収した酸素分子は酸素

紫外線

酸素ラジカル酸素
Oラジカルに分解しますが、極めて反応性

+ O2

2O
O3

紫外線

オゾン

図 3-22 紫外線によるオゾンの生成が高いために複雑な反応が進行します。
生成するオゾンは分子式 O3、結合距離は 0.128nm、結合角は 127°を持つ酸素同素体であり、地上の大気中に約 0.05ppm 含まれ、空気（酸素）あるいは水の電気分解により製造することができます。表 3-9 に掲げるようにオゾンは 252nm に極大を持つ強い紫外線吸収44を示す青色の気体で、－111℃で青色の液体に、－193℃で固体になります。オゾンは強い酸化性による特異臭と毒性を示し、目に沁みたり咳や喉痛の原因になり、高濃度では不安定で爆発的に酸素に分解します。
このようにして地球のはるか上空で酸素から生成し続けるオゾンは、長い年月の間に地球を包むようにオゾンを多く含む層を形成しました。地球を包むこのオゾン層は 300nm
より短波長の紫外線をほとんど吸収してしまい、地表を太陽の強い紫外線から遮蔽する働きをしています。葉緑素が太陽光からの 450 nm 近傍の可視光線を吸収して植物は炭酸同化反応により生成するブドウ糖を活力として生命活動を維持していますが、450 nm 近傍の可視光線を水は若干吸収したり反射したりしますから、植物は陸上の方が強い可視光線を吸収して効率よく炭酸同化反応することができます。短波長の紫外線が強く降り注ぐ陸上は効率よく炭酸同化反応が進行する環境ですが、植物の生体に有毒ですから棲息できませんでした。オゾン層の形成により有毒な紫外線を遮蔽された環境になりましたので、植物は上陸して繁茂するようになります。
水中に適応して合理的に進化した生命活動の組織や機構は水の無い陸上では必ずしも最適ではなくなりました。水中に繁茂していた藻類は上陸に伴い生体内に大量の水を保つように包み込んでいました。炭酸同化反応に必要な水や二酸化炭素は水中には常に存在しますが、陸上では同じようには供給されませんから地中に根を張りました。動物は生命の維持に必要な酸素も水中では鰓を通して集めていましたが、陸上では肺呼吸が合理的です。
浮遊していれば水中を自由に移動できた動物も陸上では歩いたり飛んだりしなければなりません。蛙や蜻蛉は幼少期には水中にくらし繁殖期に入って初めて上陸しますから、両方の生活圏に適した組織を持っています。このようにして 4.7 億年前に水中に繁茂していた植物が上陸し、続いて 3.8 億年前には脊椎動物も上陸して生活圏を陸上に広げてきました。
オゾン層が形成したお陰でこの約 4 億年の間に、生物は地球の約 30％を占める陸地まで生活圏を拡張して全世界を征服しました。

45

4. 大気と生物の関わり
植物の葉っぱは緑色
宇宙を構成する原子の 90％以上は水素ですから、誕生間もない 46 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したが、第 3 章の「冥王代の地球の大気」の節で見てきたように、気温が次第に下がるとともに酸素分子は還元されて水となり大気中にはほとんど存在しなくなりました。43 億年前の冥王代になるとさらに気温が下がり多量の
水蒸気は液化して、地表の約 70％が海で覆われました。二酸化炭素やシアン化水素や酢酸
やアンモニアなど表 3-2 に掲げた種々の星間物質も水に溶けて大気中から海の中に移動しましたから、炭酸やアデニンやグアニンが海の中に生成するとともに 38 億年前の太古代には海の中に生物も発生しました。それらの生物は還元性の高い環境で海の中に溶け込んでいる物質を変化させ、その時発生する反応熱を生命活動の維持に活用していたと思われます。
35 億年前の地層から生物由来のメタンが検出されたことから、誕生間もない生物の中にはメタン生成菌と呼ばれるメタンを生成する反応の反応熱を活力とする生物が生存していたと考えられます。太古代は還元性の高い環境でかなり高い濃度で水素が残存していたと思われ、メタン生成菌は図 4-1 に示すように水素と二酸化炭素の反応でメタンを排出していたと思われます。地球の進化に伴う環境の変化にも巧みに順応して、現在も変性嫌気性を示すこのメタン生成菌は現存していますが、現在の地球環境にはほとんど水素が存在しませんから、水素の供給を受けるために他の細菌類と共生しています。また、酢酸を分解してメタンと二酸化炭素を排出するメタン生成菌も現存しますのでそのメタン生成反応
も図 4-1 に示します。広島大学の西尾尚道教授が纏められた「化学と生物」誌の総説によれば、この酢酸の分解でメタンを排出するメタン生成菌は 7.6 kcal･mol-1 のエネルギーしか生命維持のために活用していません。後の「生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に」活力として有効に得ています。

CH4

CO2

H2O

+

H2O

32.4kcal/mol

3H2O

+

+

CH4

+

CH3CO2H

H2O+

kcal･mol-1 のエネルギーを生命維持の

CO2

+

4H2

+

を酸化する過程で 16 倍以上の 125.0+の節で説明しますが、ブドウ糖を二酸化炭素まで酸化して棲息している多くの生物は酢酸

7.6kcal/mol

図 4-1 メタン生成菌の反応生成熱

38 億年前の太古代に二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しま
したが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応により生命活動を営む単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類は細胞が藻のように集合して生活していますが、個々の細胞は独立してそれぞれフィコシアノビリンを介した太陽の光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により生命活動を維持しています。フィコシアノビリンを構成する炭素と窒素と酸素の原子が図 3-18 に示されるようにクロロフィル a の赤色と青色で示す部分の原子と完全に同じ配列を持っています。これらのことからフィコシアノビリンはクロロフィル（葉緑素）
46

の原型と思われ、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物の進化の源流と思われます。
原子やイオンから電子を放出する反応を酸化反応といい電子を放出する物質を還元剤と定義しています。逆に、原子やイオンが電子を受け取る反応を還元反応といい電子を受け取る物質を酸化剤と定義しています。電子を供給する酸化反応が起こらなければ電子を受け取る還元反応は起こり得ませんし、電子を受け取る還元反応が起こらなければ電子を放出しても電子の行き場がなくなりますから酸化反応も起こり得ません。このように酸化反応と還元反応は電子の遣り取りですから、酸化反応が起こる系内では同時に還元反応が必ず進行します。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す酸化剤です。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する還元剤です。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 4-1 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。
式 4-1

V = VR − VO

植物の中では NADP 陽イオンと NADPH がそれぞれ酸化剤と還元剤として図 4-2 に示す
ように働き、生体内の各種の酸化反応と還元反応を橋渡しする役目を担っています。水が酸化されますと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。図 4-2 に赤色字で示すように NADPH への還元反応には約 56kcal･mol-1 の大きな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吸収した太陽からの光エネルギーによりこの還元反応を進行させます。しかし、水の酸化と NADP 陽イオンの還R－56kcal/mol（燃焼）－22kcal/mol（生体内）

N

NH2

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 H

R
N

2e-

65kcal/mol（光）O NADPH

H+

NH2
+

H
O NADP
OPO3H2HOO O
OR:H2C O P O P O CH2 N
O
OH OH
N
HO OH

N
N
NH2

図 4-2 NADP 陽イオンと NADPH の酸化・還元平衡

実際、多くの植物は葉緑素を用いて太陽からの光エネルギーを効率よく吸収して高い還元状態の栄養物質を生産しています。図 4-3 には水の酸化による NADPH への還元反応
47

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。
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ように受け渡しされて Mn2+に還元されます。
Chla*
H2O

光

O

Mn

Chla

1.51V
Mn

2+

酸素発生
複合体

OH

OH

Chla

Fe2+

0.05V

O2 0.82V
3+

O

+

Cu

0.21V

2+

0.37V

Fe3+

Chlb*

FeS

光

-0.97V

Chlb+

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+

クロロ
フィルa
図 4-3 葉緑素による水の酸化と電子伝達系

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図 3-20 に示すように長く共役した炭素＝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。
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 3-20 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 948

つの 2 重結合が環状に結合していますから、428、530、575、615、661nm に極大吸収を持っています。さらに、図 3-20 の青色で示すようにこのポルフィリン環に含まれる 4 個の窒素原子とマグネ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ら、約 100000L･mol-1cm-1 の分子吸光係数を持つと見積もることができます。この吸光係数から濃度が 0.001mol･L-1 の葉緑素が厚さ 0.2mm の葉の中に含まれていれば、太陽からの 428nm の光エネルギーを 99%まで定常的に効率良く吸収します。
クロロフィル b は同じ母核を持っていますが、R=CHO ですから若干共役系が異なるために、非常に大きな吸光係数を持つ吸収極大が 446nm に移動しています。これらのクロロフ
ィル a とクロロフィル b が吸収したそれぞれ 428nm と 446nm の光は式 3-13 に従えば約33kcal･mol-1 と 32kcal･mol-1 に相当し合計で図 4-2 の青色字で示すように 65 kcal･mol-1 になりますから、NADP 陽イオンから NADPH へのこの一連の還元反応に要する約 56kcal･mol1 の大きなエネルギーを充足します。

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、地球上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、水は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
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、わずかに遅れて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。藍藻類から進化した植物では、葉緑素の働きで太陽光のエネルギーにより二酸化炭素や炭酸イオンからブドウ糖（C6H12O6）が49

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。
植物の中では図 3-20 に示すような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 4-2 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4-1 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 は高い還元状態の還元剤で、図 4-2 に示すように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。
表 4-1 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－

CO32－ + 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O

CO2 + 8H+ + 8e－→CH4 + 2H2O
CO32－+ 6H+ + 4e－→HCHO + 2H2O
CO2 + 4H+ + 4e－→C + 2H2O
CO32－+ 8H+ + 6e－→CH3OH + 2H2O
CO32－+ 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

還元電位

-0.17
0.01
0.03
0.05
0.21
0.23
0.23
0.13
0.44
0.59

第 3 章の「石灰石の生成」の節で見てきたように、地球誕生から 46 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 4-1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が還元されると考えられます。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 4-1 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50

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。
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、式 3-8 および
図 3-5 から明らかなように小さな自由エネルギー変化ΔG の違いで酸の強さが影響します。
酸が解離して図 3-4 の系 B に相当する生成する陰イオンが安定であればあるほど自由エネ
ルギー変化ΔG 大きくなりますから解離し易くなり、強い酸性を示します。図 4-4 に示すように 2 重結合と電子対あるいは 2 重結合同士は側面で相互作用をします。このような相互作用を共鳴といい、H

僅かながらも結合エネ
ルギーに安定化が起こります。カルボン酸が

H3C

C

H

H
OH

H3C

H

エタノール

H3C

C

H
C

O
O

C

O
H
OH

H3C

H

C

O

H3C

エトキシ基

O

解離して生成するカル
ボキシルラート（カル

H

O
O

C

H3C

O

ボン酸陰イオン）は、

酢酸

炭素＝酸素 2 重結合と陰

図 4-4 酢酸の解離とアセトキシ陰イオンの安定化

アセトキシ基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、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す。
炭素＝酸素 2 重結合の隣の炭素に水素がO結合している場合にも、共鳴による安定化がC

H

同じように起こりますから、僅かながら水素

O
CH3

H

C

アセトアルデヒド

陽イオンを解離します。結果として陰イオンH

ろしている炭素＝酸素 2 重結合に付加反応

C

C

H

H

H

し、2 分子の炭素＝酸素 2 重結合化合物からO

炭素－炭素結合が新たに結ばれ 2 量化しまHす。炭素＝酸素 2 重結合を持つアセトアルデ

C C H
H

H

H
O

O

になった 2 重結合の隣の炭素が近くにうろう

C

H

C

CH3

O

OH

C

CH
C
CH3
H2

アルドール

図 4-5 アルドール反応の機構

ヒドにおいてこの反応が進行しますと、図 451

H5 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、アルドール縮合型の反応とその逆反応
H2C OHH2C OHH2C OH
O C
HO C
HO CH
HO CH
HO C
O C
異性化反応
異性化反応
HC OH
HC OH
HC OH
H2C OHH2C OHH2C OH

二酸化炭素
六炭糖6a

三炭糖3a-c

五炭糖5a-c

5a

5b

5c

縮合反応

CO2

H2C OH NADPH
H2C OHHC OH還元反応
HO C CO2H
HC O
H 3a

H2C OHHO C CO2H
グリセルアルデヒド3b
O C
H2O
O C OH
O CH
HC OH
NADPH
HC OH 加水分解反応
HC OH
H2C OH
還元反応
H2C OHH2C OH6a

三炭糖3a-c二炭糖

グリセルアルデヒド3b

3a

異性化反応

六炭糖6b

七炭糖

四炭糖
ブドウ糖

H2C OHH2C OH
CH O
C O
C O
HC OH
異性化反応
縮合反応
H2C OH
HC OH
HC OH
3c
CH
HO
CH
HO
CH
O
HC OH
HC OH
HC OH
H2C OHH2C OHH2C OH

グリセルアルデヒド3b

図 4-6 炭酸同化反応の概略

6b

ブドウ糖

図 4-7 炭酸同化反応の一部分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 4-6 にまとめました。図 3-10 に示した
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 47 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。
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
52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 4-2 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

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有効に利用し得るエネル
ギーの量を表す尺度ですから、生体に関連する有機化合物の燃焼熱を表 4-2に纏めました。例えばプロパンガス（C3H8 ）を完全に燃やして二酸化炭素

グリセルアルデヒド

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
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 530.6kcal･mol-1 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 を薬缶に入れブドウ糖て熱効率 50%のコンロで

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

燃焼熱
kcal･mol-1 kcal･NADPH-1
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

図 4-8 アルデヒド類とブドウ糖の燃焼熱

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-1 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 4-8 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 4-2 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。
53

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。

酸素無しで棲息する太古の生物
25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応により生命活動を営む単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類はフィコシアノ
ビリンを介した太陽の光エネルギーの吸収による炭酸同化反応により生命活動を維持しています。氷河期の終わりとともに環境に恵まれてこの藍藻類が爆発的に繁殖しましたので、二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中にほとんど存在しなかった酸素が 23~25 億年前の期間に急激に増加しましたが、その割合はわずか 0.2％に過ぎませんでした。フィコシアノビリンはクロロフィル（葉緑素）の原型と思われ、その後、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化が続き次第に大気中の酸素は増加しましたがその速度は遅く、約17 億年間の長い歳月は大気中に酸素の少ない還元的な雰囲気の状態が続きました。現在の地球の大気のような約 80％の窒素分子と約 20％の酸素分子で構成される酸化的な雰囲気の大気の状態に 6 億年前の古生代に到達しました。
6 億年前の古生代になるまでの長い還元的な雰囲気の期間に棲息していた生物は、炭酸同化反応で生産されるブドウ糖をどのように生命維持のための活力に変えてきたのでしょうか。遠い昔に進化してしかも現在においても生き長らえている化石的な生物の生き様を見れば明らかになるのではないでしょうか。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代の昔から、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54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 4-9 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。図 4-9 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
H H

発生するとともに分解分解した 3 炭糖はNADP 陽 イ オ ン をともに、脱水を伴い 2

PO3H2
O

ATP とピルビン酸を生

C

H

H2O3P

O

H

H

C

C H
H

NADP+
-NADPH
H
C
C

H

H

C

-H2O
O

O

PO3H2

H

O

C

O H
OH C

C

C

HO

H

OH

H

C

ADP/-ATP

OH

PO3H2

H

O

C

OH

PO3H2
O

C
OH

C

PO3H2 OONADP 陽イオンからそADP/-ATP

れぞれ 2 モルの ATP と二酸化炭素に分解されH

H

ATP/-ADPOHに 2 モ ル の ADP とでアセトアルデヒドと

H C

NADP+
-NADPH

成していますが、同時ルビン酸は酵素の働き

H

O

C

H

O

この一連の反応によりさらに生成したピ

H

H
OH
C

H

成します。図 4-9 に示す

NADPH を生成します。

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

ATP
-ADP

PO3H2

H

モルの ADP と反応してモルのピルビン酸を生

HO

H ぶどう糖 OH

C

1 モルのブドウ糖から 2

H2O3P

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

反応を活性化します。

NADPH まで還元すると

H H

HO

H

HO

H
C

H

C H
H

エタノール

H

H

NADPH C-NADP+ C
O

H

H

CO2

H

O

H
C

H

C

アセトアルデヒド ピルビン酸

C
O

H

NADPH
-NADP+
OH

HO

H
C
C

乳酸

H
H
C

OH

O

図 4-9 解糖反応の機構

ますが、ブドウ糖からピルビン酸への分解の過程で副生した 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。この一連の変化は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。1 モルのブドウ糖から 2 モルのエタノールと二酸化炭素に分解する反応は全く酸素を必要とせず、
2 モルの ADP がリン酸と縮合して 2 モルの ATP を残します。第 3 章の「アデニンの生成」の節で見てきたように地球の誕生当時に大気中に存在していたと思われるシアン化水素が縮合して海の中にアデニンが生成しました。このアデニンのリン酸エステルの ADP（アデノシン二リン酸）は図 4-10 に示すようにリン酸との 7.29kcal/mol の吸熱的な反応により
55

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-1 のエネルギーを放出します。言い換えれば酸素の存在のNH2

有無にかかわらず、酵母は 1 モルのブドウN糖を分解して ATP の形で 14.58kcal を得て生命維持の活力にしています。嫌気性生物はO
HO

酸素を生命の維持に利用できませんから、

P

O

OH

経過する一連の変化の一部の過程では酸

N

O
P

O

O

OH
H

ADP

N
N

H

H

+ 7.29kcal/mol

OH

H
OH

NH2

化・還元反応が含まれていますが、ブドウ

N

N

H2O H3PO4糖から分解生成物への一連の反応は系全体
Oとして全く酸化も還元もされていません。

HO

漬物やヨーグルトを作るために利用し

P
OH

O
O

P

O

OH

ATP

ている乳酸菌も図 4-9 に示すようにブドウ

N

O
P

O

N

O

OH
H

H

H

OH

H
OH

図 4-10 ADP-ATP 間の反応

糖をを分解する過程で、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 4-9 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。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副生した NADPH が過剰に存在しますからピルピン酸から乳酸への還元反応の過程で NADP 陽イオンが再生補給されます。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、一部の過程では酸化・還元反応が含まれていますがブドウ糖から乳酸への一連の反応は系全体として全く酸化も還元もされていません。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。このように酸素の無い太古代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このエネルギーを活力として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。

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く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
光と熱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、友人が座興で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
56

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点きませんでした。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 4-11 のよ
うに角砂糖がユラユラと赤い炎を上げながら薄暗いバーの中で燃える余興を見せてくれました。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 4-11 角砂糖を燃やす実験
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、6 億年前の古生代になるまでの長い還元的な雰囲気の期間の陸上は生物の棲息できる環境ではありませんでした。二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化は続き、次第に大気中の酸素が増加し蓄積して、6 億年前の古生代に約 80％の窒素と約 20％の酸素で構成される現在の地球のような酸化的な雰囲気の大気の状態になりました。酸素分子やオゾンは生物に有害な宇宙線や紫外線を吸収しますから、
約 4 億年前に陸上での生物の棲息が可能になり、しかも強い太陽光が降り注ぎますから炭酸同化反応に有利な生活環境になりました。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。
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 C+ 14.6kcal/mol
乳酸 O
2C2H5OH + 2CO2 + 14.6kcal/mol
エタノール

2CH3CO2H + 2CO2 + 102.0kcal/mol
酢酸

図 4-12 乳酸発酵とアルコール発酵と酢酸発酵の反応熱
大気中に充分な酸素が存在する環境ではブドウ糖は燃焼熱 673.0kcal･mol-1 のエネルギーを有効に利用できますが、前節の「酸素無しで棲息する太古の生物」で見てきたように、無酸素の環境の太古から生き延びてきた酵母（イースト）は図 4-12 の赤色文字で示すように、アルコール発酵するときにブドウ糖が持つ 673.0kcal･mol-1 の燃焼熱のわずか 2%に相当する 14.6kcal･mol-1 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美味し57

いエタノールの形のままで飲み残しています。同様に図 4-12 の青色文字で示すように乳酸菌もブドウ糖が持つ 673.0kcal･mol-1 の燃焼熱のわずか 2%に相当する 14.6kcal･mol-1 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。
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。その後、二酸化炭素の還元により生産されるブドウ糖を生命維持のための活力にする生物への進化が続き次第に大気中の酸素は増加しましたがその速度は遅く、約 17 億年間の長い歳月は大気中に酸素の少ない還元的な雰囲気の状態が続きました。酵母より遅れて誕生した酢酸菌は大気中に若干の酸素を含む環境の中で、部分的に酸化反応を取り入れてわずかながら熱効率の良い酢
酸発酵するように進化してきました。酢酸菌は図 4-9 の黒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が、酵母と同じよう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。大気中に若干含まれるようになった酸素により同時に生成した NADPH は図 4-2 に示す発熱反応により NADP
陽イオンに変化しますから、図 4-9 の緑色で示すように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 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。図 4-2 に示すように NADPH はその還元反応に必要なエネルギーを 3 モルの ATP の形で 21.9kcal･mol-1 含んでいますから、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。酢酸菌は環境に即して図 4-12 の緑色文字で示すように酢酸発酵するときにはブドウ糖の持つ 674kcal･
mol-1 の燃焼熱の 15%に相当する 102.0kcal･mol-1 を生命活動の維持のための活力として利用していますが、お寿司に欠かせない酢酸を食べ残しています。
大気中に若干含まれる酸素により NADPH を酸化して NADP 陽イオンを生成し、酢酸菌は部分的に酸化反応を取り入れて熱効率の良い酢酸発酵をするように進化しました。この大気中の酸素による NADPH の NADP 陽イオンへの酸化反応は図 4-13 に示すような極めて複雑な一連の反応で進行すると考えられています。酸素は図 4-13 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第一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二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 4-13 に示すように酸素分子から水
58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 ですから式 4-1 に従って 56kcal･mol-1 の発熱反応が自働的に進行します。
O

2Fe2+

1/2O2

H3CO

R1

H3C

H
N

H3CO

CH3

H3C

N

0.46V

0.49-0.80V
2Fe3+

H2O

R1:

C
H2

C
H

C

C
H2

H

R2:

R

OH

H3CO

R1

H3C

N

H3CO

CH3

H3C

N

6-10

N
N

+
O NADP

H
R3

NH

N
NH2

O
H H

R

OH

O
O
H2 H OHH H2O
C C C C C O P O P O CH2OH OH
OHH OH

NH2-0.32V

O

N

N

O

2

FAD
HO

CH3

N
H

0.41V

ユビキノール OH

H2
C

NH

2

FADH2

ユビキノン O

0.82V

R3

O

O

HO
N

R3:
N

NH2

HO

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

NADPH
OPO3H2
N
N

N
N
NH2

図 4-13 酸素による NADPH の酸化反応
生体内で酸素などにより NADPH から NADP 陽イオンを生成する図 4-2 の右方向の反応は緑色字で示すように 21.87 kcal･mol-1 の発熱反応ですし、左方向の反応は吸熱的な反応と要約できます。図 4-3 に示した光化学反応において葉緑素のクロロフィル a とクロロフィ
ル b が吸収したそれぞれ 428nm と 446nm の光は式 4-1 に従えば約 33kcal･mol-1 と 32kcal･
mol-1 に相当しますから、図 4-2 の左方向の反応が進行して水から酸素への酸化反応が進行すると思われます。言い換えれば NADPH と NADP 陽イオンは生体内で光合成によるブドウ糖の合成やアルデヒドの酸化や 2 重結合の還元などあらゆる酸化・還元反応の触媒の役
目をする補酵素として働いています。
大気中に酸素を充分には含まない還元的な環境に棲息していた生物はブドウ糖をピルビン酸まで分解し、発生する僅かなエネルギーを主に活力にして棲息していましたので、潜在的にブドウ糖が持つ 673kcal･mol-1 の燃焼熱の大部分をエタノールや乳酸や酢酸の形で食べ残していました。大気中の酸素が次第に増加し、6 億年前の古生代に約 80％の窒素と約 20％の酸素で構成される現在の地球の大気のような酸化的な雰囲気になりましたので、大気中に酸素の働きで強い酸化力を示す NADP 陽イオンが図 4-13 に示すように生体内に容易に生成するようになりました。このような酸化的環境に進化してきた植物は幹や葉の表皮にある気孔から、また動物は肺や鰓から吸収した酸素により NADPH を NADP 陽イオンに酸化しています。
酸化的な環境に進化してきた生体内では、ブドウ糖を分解して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、補酵素 A と結合して
図 4-14 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
59

クルと呼ばれるこの一連の反応では図 4-14 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、O

オキザロ酢酸が触媒として回収されます。
このクエン酸サイクルの反応では酢酸が酸化して 2 モルの二酸化炭素を生成しますが、

C

H3C

OH
S

H2
C

C
H2

H
N

N
H2N

O

N
N

CH

CH

N

同時に 3 モルの NADP 陽イオン

H2
C

C
O
H2
C

CH CH

O

O

P

HO

C
H2
O

O

H
N

P

C

CH3

C

O O

CH2

O

O

P

OH
OH

CH

CH3

OH

アセチル補酵素A

OHと 1 モ ル の ビ タ ミ ン B2
-HS-CoA（FAD）がそれぞれ NADPH と還元型ビタミン B2（FADH2）まで還元され、発生するエネ
ルギーは 1 モルの ADP とリン酸を縮合させて ATP として蓄えられます。結局、ブドウ糖の分解によるピルビン酸への

O
H2
C C

HOOC

HOOC

オキザロ酢酸 COOH

クエン酸

NADP+/-NADPH

HOOC

変化、アセチル補酵素 A への

HOOC

COOH

脱炭酸反応、クエン酸サイク
ルを経由する二酸化炭素まで

フマル酸

C
H

C
H

COOH

HOOC

酸化炭素に酸化される過程
で、4 モルの ATP と 10 モルの

FAD/FADH2

HOOC

C
H
COOH

COOH

H2 H
C C

O
C

COOH

CO2

H2 H2
C C COOH

HOOC

O
H2 H2
C C C

COOH

コハク酸

NADPH と 2 モルの還元型ビタ

NADP+/-NADPH

ADP/-ATPミン B2 を生成します。NADPHと還元型ビタミン B2 はその還

OH

COOH

の分解過程を総括しますと、1
モルのブドウ糖から 6 モルの二

H2 H
C C

NADP+/-NADPH

H2O

HOOC

COOH
-H2O/H2O

OH
H2
C CH

リンゴ酸

OH
H2
H2
C C C COOH

CO2

図 4-14 クエン酸サイクル

元反応に必要なエネルギーをそれぞれ 3 モルと 2 モルの ATP の形で含んでいますから、ブ
ドウ糖の二酸化炭素への酸化反応で発生するエネルギーは合計 38 モルの ATP を生成する
ことに費やされます。
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。多くの植物も動物もでんぷんやタンパク質や脂肪を栄養として摂取し、幹や葉の表面の気孔や動物の鰓や肺から吸収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。吸収した酸素は図 4-13 に示すように過剰になった NADPH を酸化して 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60

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 4-9の青線で示す乳酸菌がブドウ糖を分解する過程と同じように炭素=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。
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-1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 4-2 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-1 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。
誕生間もない 46 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とんど酸素分子が存在していませんでした。38 億年前の太古代になりますと、二酸化炭素やアデニンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しましたが、その進化は遅々としたものでした。25～30 億年前ごろに太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応によりブドウ糖と酸素を生成する単細胞の藍藻類（シアノバクテリア）が発生しました。藍藻類は生成したブドウ糖が分解するときに生じる僅かなエネルギーを活力にして生命活動を営んでいました。この時代に誕生した酵母（イースト）や乳酸菌は環境の変化に適応して現在も熱効率の悪い組織のままに生き延びています。
21～24 億年前の原生代にヒューロニアン氷河期の終わりごろに、海水中や大気中の二酸化炭素の濃度が高く温度が高い繁殖に適した環境に恵まれて、藍藻類が爆発的に繁殖しました。これにより二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、23~25 億年前の期間に大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。酢酸菌などは大気中に若干ながら含まれるようになった酸素によりアセトアルデヒドを酸化して熱効率の向上した生物に進化しました。生物が進化し繁殖することにより地球も徐々に進化して、大気中の酸素濃度が約 20％まで上昇しました。この地球の進化に合わせて生物もさらに高い熱効率の酸化分解により多量のエネルギーを得て体格の大きく複雑な組織に進化し、生活領域も陸上にまで拡張してきました。38 億年の長い期間に地球を覆っている大気は生物の進化と手を携えるように
ともに互いに進化してきました。

61

酸素を取り込むフェレドキシンとヘモグロビン
地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、21～24 億年前の原生代に藍藻類が爆発的に繁殖し、二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出されましたので、23~25 億年前の期間に大気酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。
その後地球が進化し大気中の酸素濃度が約 20％まで上昇しましたから、この地球の進化に合わせて生物もさらに高い熱効率の酸化分解により多量のエネルギーを得て体格が大きく複雑な組織に進化し、生活領域も陸上にまで拡張してきました。地球の酸化的環境への進化にともなって大気中の酸素濃度が高く変化しましたから、植物は幹や葉の表皮にある気孔から、また動物は肺や鰓から吸収した酸素により図 4-13 の赤色矢印で示すような複雑な反応過程を通して NADPH を NADP 陽イオンに酸化しています。このようにして生じたNADP 陽イオンが生物体内のすべての変化の酸化剤として働いています。
1 つの細胞の中に含まれる化学物質の種類とその表 4-3 生体内物質の組成

重量比を表 4-3 に掲げましたが、それぞれの物質がその性質に応じた働きをして生命活動を維持しています。この表からも明らかなように水が細胞の重さの70％を占めていますから、生命活動を司る種々の化学反応は細胞膜で囲われた細胞の中で水を溶媒として進行していると考えられます。当然、生物が幹や葉の表皮や肺や鰓から吸収した酸素も水に溶けなけ

水
タンパク質
DNA
RNA
炭水化物
脂質
無機イオン
その他

重量(%)
70
15
1
6
3
2
1
2

種類
1
3000
1
1000
50
40
12
500

れば、生命活動を司る種々の化学反応の酸化剤の役に立ちません。
厚生労働省の食事摂取基準によりますと、日本人の青年男女の身体が必要とする平均エネルギー量は表 4-4 に示すようにそれぞれ 2677.5 kcal･day-1 と 1942.5 kcal･day-1 と報告されています。前節で見てきたように人間は食事で摂取したブドウ糖を酸化して生命維持な
どの活力にしていますが、その発熱量は 277.0 kcal･mol-1 ですし、1mol のブドウ糖を酸化するためには 6mol の酸素を要しますから、日本人の青年男女の平均酸素必要量はそれぞれ
58.0 mol･day-1 と 42.1 mol･
day-1 のように算出されます。さらに平均的な日本
人 の 平 均 呼 吸 数 が 16
breath･min-1 ですから、1 呼吸当たりの平均酸素必要量が表 4-4 に示すように概表 4-4 日本人の平均酸素必要量
性別

男

女

平均エネルギー必要量kcal･day-1

2677.5

1942.5平均ブドウ糖必要量

mol･day-1

9.67

7.01

平均呼吸数

breath･min-1

16

16

mol･day-1

58.0

42.1

g･breath-1

0.081

0.058

平均酸素必要量

算できます。

しかし、表 3-4 で掲げたように酸素は 100g の水に 0.007g 溶けますと、飽和してそれ以上は溶けませんし、水に酸素を飽和するためには長時間要します。人間が 1 呼吸する間に平均酸素必要量を溶かすためには、酸素の溶けていない新鮮な水が 1L よりかなり多く肺62

の表面に常になければなりません。1 呼吸の間に 1L 以上の流速の水が体内を循環することは非現実ですが、出来なければ人間はエネルギーの欠乏に陥ります。
地球の大気を構成する酸素が 20％になった 6 億年前の古生代以降に進化してきた多くの生物はこのように大量の酸素を吸収して酸化剤として、ブドウ糖を二酸化炭素まで酸化したときに生ずるエネルギーを生命活動の維持に活用しています。これらの生物が持つ図4-13 の赤色矢印で示すような複雑な酸化反応の過程の第 1 段階では、酸素が高い還元状態の第一鉄イオンを第二鉄イオンに酸化します。しかし、表 3-5 に示すように鉄のイオンは塩化物や硝酸塩では水に溶けますが、それ以外の酸化物や水酸化物などの無機塩ではほとんど水に溶けません。実際 6 億年前の古生代以降に進化してきた植物も動物も、タンパク質など非常に複雑な構造を持つ反応活性の高い第一鉄イオンの触媒が少量の水溶媒の中で酸素により速やかに第二鉄イオンに酸化されて、NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する橋
渡しをする触媒機構を備えています。
古生代以降に進化してきた植物は硫化鉄（FeS）にタンパク質が配位したフェレドキシ
ン Fe２S2 クラスターと呼ばれる鉄原子を含む錯化合物が酸素を酸化剤として NADPH をNADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒の働きをしています。鉄粉と硫黄の混合物を加熱すると容易に生成する硫化第一鉄（FeS）は自然界にも黄鉄鉱などと共存していますが水にはほとんど解けません。鉄のイオンはフェロシアン化カリウムやフェリシアン化カリウムに見られるように 6 つの配位子と強力に配位結合して安定な錯塩を形成しますから、硫化第一鉄は 6 つの硫黄原子と結合して安定な錯体として存在しています。タンパク質に含まれるシステインの側鎖のチオール原子団（—SH）が硫化第一鉄に配位したフェレドキシン Fe2S2 クラスターは図 4-15 に示すように鉄イオンに配位できる空の軌道が上向に出ています。酸素は 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道を持っていますから、上方から酸素が配位して酸素イオンと第二鉄イオンに図 4-15 の下向きの酸化・還元反応が進行します。さらに酸素のイオンがユビキノ

HNO
Oールと入れ替わると、図 4-15 の上

キシンクラスターに回復するとともに、ユビキノンに酸化されて酸化の能力が図 4-13 の赤色矢印のように

C
HN

向きの酸化・還元反応が進行して、第一鉄イオンを中心とするフェレド

C

HN
O
O

C
C
HN

C

C

C

C

C
H2
H2
C

H
S

O

S

S

S

FeII

FeII
S

S

H

H

H
C S
H2
H2
C S
H

C
H2
H2
C

H
O

S

S

FeIII

FeII
S

S

C
H2
H2
C
H

C

C

C

C

C

O

NH
NH
C

O

C

O

NH
NH
C

O

フェレドキシンFe2S2クラスター

伝達され NADP 陽イオンの生成が完
結します。

H

図 4-15 フェレドキシンの酸化・還元反応

Rothemund は 1935 年にギ酸などの酸性触媒でピロールと種々のアルデヒドを縮合反応させピロール環を 1 つの炭素で架橋した多くの生成物とともに、図 4-16 に示すような１つ63

ずつの炭素原子で 4 つのピロール環を架橋したポルフィリン環を持つ環状の化合物を合成しました。この反応では 4 分子の水の脱離とともに 3 分子の水素が脱離する酸化反応が進行して、図 4-16 に赤色線で示すよう
Rに窒素原子を含む 18π系を形成しCHて共鳴安定化したポルフィリンを生成します。図 4-16 右上に示すよN
H ピロールうな 4 つのピロール環を含む中間体

Oは 2 重結合が共役していませんか

C

+

R

ら、図の右下に示すように 2 重結合

NH
H+

R

HN

CH

CH
NH

H
アルデヒド類R

HNCHRが共役した 18π系の芳香族の安定酸化化のためにポルフィリン類に酸化RRされたものと考えられます。このポルフィリンは 4 つのピロール環を含み、18π系の中に窒素原子を含む化合物ですから複素環芳香族化

N
II

Fe

R

Fe2+

N

N

R
N

NH

N

R

R
N

HN

合物です。しかも図 4-16 に示すよ
うに窒素原子に結合する水素が解離しますと、ポルフィリン環の内R

鉄ポルフィリン類

ポルフィリン類

R

18π系

図 4-16 ポルフィリンの生成反応側に向いた 4 つの窒素原子上には 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道が金属元素の大きさに相応する隙間を残して生まれます。最外殻に電子が空の軌道を持つ鉄やコバルトな
どの金属イオンがこの隙間に入り込みますと窒素原子と金属イオンの間に配位結合が結ばれ、強固な錯塩を形作りますから、18π系の共役した 2 重結合を同一平面に固定して強く共鳴安定化します。強い配位能のポルフィリンに囲まれた状態では、水の中で水酸化鉄を生成するもことなく、鉄イオンは配位子を変えずに酸素による酸化・還元反応が進行します。
約 5 億年前に進化した脊椎動物は人類を含めて皆ヘミンと呼ばれる鉄原子を含む複雑な化合物がタンパク質と結合して、酸素を酸化剤として NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する
橋渡しをする第 1 段階を担う触媒の働きをしています。ヘミンのポルフィリン環と強い配位結合により囲まれた第一鉄イオン（Fe2∔）と第二鉄イオン（Fe3∔）の間の酸化・還元反応が図 4-13 で示す酸素によりユビキノールを酸化する過程を動物体内では触媒すると考えられています。赤血球の赤色を示すデオキシヘモグロビンは図 4-17 に示すようにグロビンと呼ばれるタンパク質が結合したヘミンのポルフィリン環の中央に第一鉄イオンが配座し、タンパク質のグロビンの鎖の中のヒスチジンのイミダゾールが下方から鉄イオンに配位して安定化しています。鉄のイオンは 6 つの配位子と強力に配位結合して安定な錯塩を形成しますから、ポルフィリン環の中心に座る鉄イオンに配位できる空の軌道が上向に出ています。酸素は 2 つの電子で充足した孤立電子対の軌道を持っていますから、上方から配位64

してデオキシヘモグロビンとなり、酸素イオンとオキシヘモグロビンに図 4-17 の右向きの酸化・還元反応が進行します。さらに酸素のイオンがユビキノールと入れ替わると、図 417 の左向きの酸化・還元反応が進行して、第二鉄イオンを中心とするオキシヘモグロビン
はデオキシヘモグロビンに回復するとともに、ユビキノンに酸化されて酸化の能力が図 413 の赤色矢印のように伝達され NADP 陽イオンの生成が完結します。ポルフィリン環と強い配位結合により囲まれた第一鉄イオン（Fe2∔）と第二鉄イオン（Fe3∔）の間の酸化・還元反応をするヘミンはヘモグロビンの他にもカタラーゼやシトクロムやペルオキシダーゼ
やミオグロビンなどの酵素類においても認められ、脂肪酸の代謝や肝臓における解毒作用などに働き生命活動の維持を援けています。

OO
HC CH2
H3C

N

HC
H3C

N

H2C CH2

HO2C
H
N
H
N CH
O
グロビン

C

NH

CH3

H
C
FeII
C
H

N
N

HC CH2

H
C

CH2

CH

CH3
H2C CH2
CO2H

N
NH

デオキシヘモグロビン

H3C

N

HC
H3C

N

H2C CH2

HO2C
H
N
H
N CH
O
グロビン

C

NH

CH3

H
C

H
C
CH2
N
III
CH
Fe
N
C
CH3
H
H2C CH2
CO2H

N
NH

オキシヘモグロビン

図 4-17 ヘモグロビンの酸素分子による酸化・還元反応

酸素を酸化剤として NADPH を NADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒として、6億年前の古生代以降に進化してきた植物は第一鉄イオンに硫黄が配位したフェレドキシン
Fe2S2 クラスターが働いています。また、動物は 18π系の芳香族性を示すポルフィリンの中心原子として第一鉄イオンが配位したヘモグロビンが酸素の酸化剤の働きを NADPH から NADP 陽イオンへ酸化する橋渡しをする第 1 段階を担う触媒として働いています。これ
らの触媒により比較的水に溶けにくい気体状の酸素を速やかに取り込んで、多くの生物はブドウ糖を遅滞なく酸化して発生するエネルギーを生命維持の活力にしています。

生物の情報を管理する DNA
近年飛躍的に進歩してきた電子計算機はその記憶素子部分が大量に情報を保存しており、電子計算機の内部で最も重用な役割を演じていますが、この記憶素子に最も求められることは正確な情報の記憶と伝達のほかに、不意の停電や雷などの大電力の通電においても そ の 記 憶 の 安 全 な 保 持 に あ る と 思 わ れ ま す 。 DNA は デ オ キ シ リ ボ 核 酸（Deoxyribonucleic Acid）を省略した名前の物質で細胞中に必ず 1 種だけ含まれており、電子計算機の記憶素子部分のように、その細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶し、必要に応じた情報を発信しています。このように生物の進化の過程や生命活動に必要なすべての膨大な情報を収納する役割を果たしている DNA は急激な環境の変化や外的な障害から記憶情報を安全に保存するとともに、正確な読み出しと必要に応じた書き換えができなければなりません。DNA が記憶情報を安全に保存し、正確に読み出せる65

ように正常に機能しなければ、全ての細胞はその生命活動を停止して死滅します。記憶情報を必要に応じて正確に読み込み読み出すためには DNA は非常に安定で如何なる反応条
件下でも変性や分解が起こり難く、しかも非常に限られた反応条件下でほかの物質と相互作用できる性質が求められます。
細胞の中に含まれる種々の化学物質はそれぞれの性質に応じた働きをして生命活動を維持しています。第 3 章の「アデニンとグアニンの生成」の節で見てきたように、原始地球の大気中に含まれていた二酸化炭素やシアン化水素が 43 億年前に生じた海に溶けて、反応しアデニンとグアニンが生成したと思われます。これらのアデニンとグアニンは図 318 に示すように窒素原子を含む芳香族化合物のプリン環を母核としていますから、熱や光に対して極めて安定でしかも分子内に窒素原子や酸素原子を含むために電荷の偏りを示します。さらに、芳香族環は強い共鳴安定化により、構成する原子が一定の相対位置を持つ
平面の構造を保ちます。アデニンとグアニンはこのような性質により、ある選ばれた物質とは極めて強い水素結合による分子間相互作用をしますが、それ以外の物質とは水素結合ができず、分子間相互作用をする物質に厳しい選り好みを示します。
DNA の機能を司るアデニンとグアニンとシトシンとP

チミンとウラシルの 5 種の化合物が核酸塩基と総称されています。また、ウラシル以外のこれらの核酸塩基が 5炭糖の一種のデオキシリボースとグリコシド結合した図
4-18 の赤色で示したデオキシアデノシンと青色で示すデ
オキシグアノシンと緑色で示したチミジンと橙色で示したデオキシシチジンをデオキシリボヌクレオシドと総称
しています。さらにデオキシリボースの 5 位水酸基にリン酸がエステル結合したものをデオキシリボヌクレオチ
ドと総称しています。DNA はこれら 4 種のデオキシリボ
ヌクレオシドの 3 位と 5 位の水酸基が図 4-18 の黒色で示
すリン酸エステルを介して次々に 102~1012 個ほど長く鎖状に結合した物質です。DNA は長く連なった鎖状のデオOOの分子の約 1000 億倍）の大きな分子です。DNA はこれらの 4 種のデオキシリボヌクレオシドの並び方により、その細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶し、生命活動をするために必要な情報を発信して
66

H

O

造を持っていると言葉を変えた表現もできます。表 4-3
g、空気や水

N

C

C
N
C
C C
H
H H デオキシアデノシン
H CH
O
O
N
O
C
P
H C
C
O
NH
O
C
N
HO
C
N
C
H2C
C C
NH
H H デオキシグアノシン 2
H
C
H
H 3C
O
O
C
O
C
P
H C
O
NH
O
N
O
H
C
H2C
C
C C
O
H H
H CH
チミジン

H2C

シリボースの 1 位に 4 種の核酸塩基の 1 種が結合した構胞の約 1％ですから 1 分子で約 0.01ng（10

C

C
N

HO

O

－11

N

H C

O

キシリボースリン酸エステルの骨格のそれぞれのデオキから明らかなように DNA は約 1ng（10－9g）の重量で細

NH2

OH
O

P

NH2

C
O

N

HO

H2C

C

H C

C
C C
H H
H
H C

N
C
O

デオキシシチジン

O
O

P

O

HO

図 4-18

DNA の構造います。デオキシリボヌクレオシドの 1 位に結合したアデニンとグアニンとチミンとシト
シンの 4 種の核酸塩基が 4 種の表音文字として働き DNA のすべての情報を表現し記憶しています。因みに、ヒトの DNA は 4 種のデオキシリボヌクレオシドがリン酸エステルを介して次々に約 3x109 個ほど長く鎖状に結合した物質です。
ヘミアセタール結合により安定化したデオキシリボースのフラノース構造は 5 員環ですから、封筒型の 2 つの配座異性体が存在しますが、一方の異性体では 1 位の核酸塩基と4 位に結合したヒドロキシメチル基（CH2OH）の 2 つの嵩高い原子団が空間的に近接して込み合っているために不安定で、DNA のデオキシリボヌクレオシドはデオキシリボースのフラノース構造が図 4-18 に示すような配座を主に持つ異性体で存在します。この配座ではデオキシリボヌクレオシドの 4 位のヒドロキシメチル基と 3 位水酸基はそれぞれ左上と右下の方向を向いています。さらに、核酸塩基とデオキシリボースが立体的に混み合わな
いようにほぼ直行した位置関係でリン酸エステル結合しています。
水素原子の結合した炭素原子に隣接した炭素＝酸素 2 重結合の部分構造を持つケトン類は図 4-19 に示すように水素原子が転移して水酸基の結合した炭素＝炭素 2 重結合の部分構造を持つエノール類に変化します。ケトン類とエノール類の間の互変異性と呼ばれるこの変化は可逆的平衡反応で多くの場合に平衡はケト
C

ン類（ケト型）に偏っていますが、溶媒や温度変化
や隣接する原子団などの影響を受けてエノール型へ

C
O

C

OH
エノール類

ケトン類

図 4-19の異性化が優先する場合もあります。

CH

ケト－エノール互変異性

図 4-20 に赤色で示すようにアデニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を持つ平面構造のプリン環にアニリン性のアミノ基の付いたエノール型の構造を持っていますから、アデニンを構成する窒素原子と炭素原子はすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。また、グアニンは熱や光などの影響を受け難い安定な芳香族性を示すプリン環の骨格の上に炭素＝酸素 2 重結合を持つケト型の構造ですが、ケト－エノール平衡反応により図 4-20 に赤色で示すようなフェノール性水酸基を持つプリン型の芳香族複素環の性質も示します。そのため、グアニンを構成する窒素原
子と炭素原子もすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。核酸塩基の内でウラシルとチミンとシトシンはいずれも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のケト型の構造を持っていますが、ケト－エノール平衡反応により図NHN

4-20 に赤色の構造のようにフェノール

HC性水酸基の結合したピリミジンの性質

HN C

C C
NH
N CH

HC

HN C
アデニン

を持つ芳香族複素環の性質を示します。そのため、これら 3 種の構成する窒素原子と炭素原子はすべて平面上に安定で水素結合に適した固有の相対位置

O
C C
HN C
NH
N C
グアニン
NH2

HC

N

NH2 O

N
C C

N
N CH

R
HO
R
C C
C C
HN
CH
N
CH
C NH
C N
O R=H: ウラシル HO
R=CH3: チミン

OH H2N
H2N
C C
C CH
C CH
HN C
N
N
CH
N
CH
N C
C NH
C N
NH2 O シトシン HO

HCN

図 4-20 DNA と RNA の核酸塩基を保ちつつ固定されています。
67

アデニンは炭素＝窒素 2 重結合がプリン環内の構造と環外の構造の間に平衡関係がありますから、図 4-21 に水色で示すようにチミンやウラシルと一義的に 2 本の水素結合で容易に結ばれ強く相互作用します。このようにアデニンはチミンやウラシルとは非常に適合した水素結合をすることができますが、それ以外の物質とは適合し難く強い相互作用をすることができません。また、グアニンも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のプリン構造を持っていますから、平衡反応によりフェノール性水酸基を持つ芳香族複素環の性質も示し、アニリン性のアミノ基と併せて 3 つの部位が水素結合に適した固有の相対位置を保ちつつ固定されています。そのためグアニンは 3 本の水素結合により厳しく選好みして相互作用しますから、グアニ
ンは一義的にシトシンを選びます。このようにアデニンとグアニンは相手となる分子を
厳しく選好みして極めて限られた分子しか選びませんが、選んだ分子とは確実に強く水素結合します。

R
HN H O
N
R
N H O
N
HC
HC
C C
C C
C C
C C
HN C
CH
N H N
HN C
CH
N H N
C NH
N CH
C
NH
N
CH
アデニン
O R=H: ウラシルO
R=CH3: チミン

O H NH
HC
C C
C CH
HN C
N H N
CH
N C
C NH
グアニン HN H O
シトシン
NO H NH
N
HC
C C
C CH
HN C
N H N
CH
HN C
C N
HN H O

図 4-21 核酸塩基の水素結合

電子計算機は記憶素子が不意の停電や雷などの大電力の通電においてもその正確な情報の記憶の安全な保持に万全を期していますが、にもかかわらずこれらの計算機の利用者
は多くの場合に記憶素子の情報を複写して別の場所に予備の情報として保管しています。
例えば多くの銀行などでは東京近郊に大型電子計算機を設置して、銀行の業務が滞ることの無いように預金などの情報を記憶していますが、地理的に遠く離れた北海道や沖縄などに予備の計算機を用意して情報を複写し共有しています。DNA は長く連なった鎖状のデオキシリボースリン酸エステルの骨格のそれぞれのデオキシリボースの 1 位に、表音文字の働きをするアデニンとグアニンとチミンとシトシンの核酸塩基の 4 種の内の 1 種が結合した構造を持っていますが、これらの核酸塩基は母核が芳香族性を示すプリン環とピリミジン環ですから、平面構造を持ち熱や光などの影響を受け難く安定性を示しています。しかし、電子計算機と同じように DNA も情報の記憶の安全な保持に万全を期して 2 重螺旋構造をとって情報を予備的に複写して保管しています。
DNA はアデニンとグアニンとチミンとシトシンの 4 種の核酸塩基の並び方によりその細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を記憶していますから、これらの核酸
塩基と強く相互作用するものによりその並び方を物質として写し出せれば、生命活動をするために必要な情報の読み出しや書き換えができます。アデニンは炭素＝窒素 2 重結合がプリン環内の構造と環外の構造の間に平衡関係がありますから、チミンやウラシルと一義
的に 2 本の水素結合で容易に結ばれ強く相互作用しますが、それ以外の物質とは適合し難く強い相互作用をすることができません。グアニンも炭素＝酸素 2 重結合を含む芳香族複素環のプリン構造を持っており、3 つの部位が水素結合に適した固有の相対位置を保ちつ
68

つ固定されていますから、3 本の水素結合により厳しく選好みして一義的にシトシンと相互作用します。このようにアデニンとグアニンは相手となる分子を厳しく選好みして極めて限られたチミンとウラシルとシトシンしか選びませんが、選んだ相手とは確実に強く水素結合します。
ウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基に 5 炭糖の一種のリボー
スがグリコシド結合したウリジンとシチジンとグアノシンとアデノシンをリボヌクレオシドと総称しています。さらにリボースの 5 位水酸基にリン酸がエステル結合したものをリ
ボヌクレオチドと総称しています。これらのリボヌクレオチドが DNA に接近しますと、それらのリボヌクレオチドのウラシルとシトシンとグアニンとアデニンが図 4-22 に示すよ
うに DNA の鎖上に配列したアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基と
図 4-22 に水色で示すようにそれぞれ一義的に水素結合しますから、DNA の核酸塩基の並び方に対応するように 4 種のリボヌクレオチドが並びます。このように DNA の核酸塩基の並び方に対応して並んだ
リボヌクレオチドのりん酸
エステル結合が図 4-22 の黒
色点線で示すように隣接す
るリボースの 3 位水酸基と

OH
O

P

HO
C C C
H H
H CH

O

P

O

位と 5 位の水酸基がりん酸

H2C状のリボースりん酸エステ

OO

Pのうちの 1 種が並んで結合した構造を持っています。
DNA に並んでいるアデニン（A）とグアニン（G）とチミン（T）とシトシン（C）
は相手となる分子を厳しく選好みして、アデニン（A）はウラシル（U）を、チミン（T）はアデニン（A）を 2 本の水素結合で選びますし、グアニン（G）

C

O

O
H2C

P

C
O

H C

O
HO

H2C

N

C
C C
H H
H
H C

P

C
O

O
O

N

HC

C
O

C

H

H N
H

N

O

O

C
N

HC

C-G

C

HO

P

H
C OH
O

OH

C H
HC

C
O
O

図 4-22 DNA から RNA への情報の読み出し

69

OH

O

H2C

O

H
O

O

CH
N

OH

C H
H2C

C

N
C

H
C OH

N

C

H
O
P
OH

CH

O

C

OH

OH

C H

O

T-A

H
N H

P

O

N
C

N
HC

H

G-C

O

H
O

O

H
C OH

O

C

O

O
O

C

C

C C C
H H
H CH

C

H2C

H NH

N H

N

HO

HC

H2C

O

H C

C

O

OH

C H

O

N

O

H
C OH

CH

N

N H
H

P

C

C

C

N

A-U
H

N H

C

N

HO

H
H N

C

C

C
C C
H H
H CH
H 3C

ルの骨格のそれぞれのリボースの 1 位に 4 種の核酸塩基

N

H C

O

O

H
O

O

N

C

C

N

O

CH

H N

N

C

N

C

C

C

C

H2C

cleic Acid）はリボースの 3と縮合して長く連なった鎖

H C

O

O

エステル結合して生成したRNA （ リ ボ 核 酸 、 Ribonu-

N

H

O

HN H

H
O
P

OH

はシトシン（C）を、シトシン（C）はグアニン（G）を 3 本の水素結合で確実に選びます
から、DNA の核酸塩基の並び方が図 4-22 に示すように一義的に RNA に反映され、DNA の細胞の進化の過程や生命活動に必要なすべての情報を正確に RNA に伝達します。
DNA の鎖上に配列したアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基は
DNA の情報を表す表音文字の働きをしていますが、それらの核酸塩基とそれぞれ一義的に水素結合するウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基にリボースの結合したリボヌクレオチドは差し詰め DNA の情報を複写するための活字に相当します。
ウラシルとシトシンとグアニンとアデニンの 4 種の核酸塩基の結合したリボヌクレオチド
はそれぞれ DNA のアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種の核酸塩基の活字の役割を果たします。リボヌクレオチドが DNA に接近して DNA の情報を表記した 4 種の核酸
塩基の配列を忠実に写し出すように並び、リボースの 3 位と 5 位の水酸基がりん酸と縮合して長く連なった鎖状のリボースりん酸エステルの骨格を持つ RNA は DNA の情報を写したリボヌクレオチドの活字を拾って作り上げた組版に相当します。この組版を使って活版印刷すれば DNA の情報を誤字も脱字もなく確実に複写印刷されます。
表面がリン酸酸性の長い鎖の DNA を糸巻き状に巻き付けているヒストンの筒はリジンやアルギニンなどの塩基性のアミノ酸を多くの構成アミノ酸として含むタンパク質ですから、親和性を持ってこんがらからないように安定化しています。このリジンやアルギニンの塩基性部分がヒストンアセチル基転移酵素によってアセチル化しますと、ヒストンの塩
基性が弱くなりますから DNA との間の相互作用が減少して DNA の緻密な構造が緩み、リボヌクレオチドの入り込む隙間が生まれます。結果としてヒストンのアセチル化された部
分で DNA の情報が選択的に RNA に読みだされます。生物の個体の中にあって司令官のDNA が発する種々の命令を受け取り、RNA は各部分や器官で生命活動を指令する指揮官の働きをします。
植物の中では葉緑素が太陽の光を効率よく吸収して得たエネルギーで水を酸素まで酸化しますが、同時に生じる還元能力を FAD から FADH2 への還元過程などの複雑な反応過程で NADP 陽イオンを高い反応性の還元状態を持つ NADPH まで還元します。この NADPHの高い還元性により二酸化炭素を還元して植物は図 4-7 で示すようにブドウ糖を生合成しています。多くの生物の体内では、このブドウ糖が図 4-9 や図 4-14 で示すように異性化反
応、分解反応、酸化反応などの複雑な反応経路でピルビン酸に変化し、このピルビン酸が二酸化炭素を失ってアセチル補酵素 A に変化し、さらにクエン酸の触媒により二酸化炭素まで酸化されます。始めにブドウ糖に ATP が働いて反応を開始するエネルギーを与えられ、次いで NADP 陽イオンによる酸化で生成する反応熱を ADP が蓄え、補酵素 A（HS-CoA）と結合してアセチル補酵素 A を生成した後、NADP 陽イオンと FAD による酸化反応により発生する反応熱を ADP により蓄えながら二酸化炭素を生成します。
これら二酸化炭素を還元してブドウ糖を生成する反応やブドウ糖を二酸化炭素まで空気で酸化して生成する反応熱を活力とする反応の過程で、生物にとって極めて重要な酸化70

や還元の能力やエネルギーの遣り取りの働きをしている NADPH と NADP 陽イオン、FADと FADH2、アセチル補酵素 A（CH3CO-S-CoA）、ADP と ATP にはいずれもアデニンと 5炭糖のリボースがグリコシド結合したアデノシンが分子の一部を占めています。DNA のアデニン部分から読み取ってきた命令を受け継いだ RNA のウラシル部分が NADPH とNADP 陽イオン、FADH2 と FAD、アセチル補酵素 A（HS-CoA）、ADP と ATP などのアデノシン部分と水素結合により相互作用して、生命活動に重要な働きをする物質に指令を与えていると思われます。この複雑な一連の反応で RNA は順番に捉えられた ATP、NADP
陽イオン、ADP、補酵素 A、FAD が順次反応するように指令していると考えられます。
電子計算機の記憶素子は電気的な⊕と⊖あるいは磁気的な N と S の 2 種類の文字の並び方で情報の記憶を行う 2 進法ですが、生物が使う情報の記憶や伝達は 4 種類の文字の並び方で行う 4 進法です。このように DNA に記録されている膨大な量の情報から、それぞれ必要な性質や活動や変化に関する情報を RNA が取り出します。生体内で種々の反応を触媒し活性化している多くの酵素がアデニンの部分構造を持っていますから、RNA のチミ
ン部分が酵素を 2 本の水素結合で選び DNA の情報を酵素や補酵素に伝達します。生活環
境の変化に対して極めて安定な性質を持つ DNA の持つ膨大な情報を水素結合という確実な相互作用を利用して RNA を介して酵素まで適宜伝達しています。情報を受けた酵素や補酵素が働いて、細胞内で種々の反応が進行し、生命活動が維持されています。アデニンとグアニンは生命活動の維持を司る DNA の最も重要な役割を担っていますが、誕生間もない生物が近くに存在していたアデニンとグアニンを利用して生命活動に必要な情報を伝達したのでしょうか、アデニンとグアニンが存在したので生命という非常に複雑な組織を持つ生物が誕生したのでしょうか、未だ答えが出ていません。

71

5. 大気汚染
紫外線の光が密接に関係するオゾン
第 2 章の「大気を空調する海の水」の節で見てきたように、地球上に大量に存在する水は大きな定圧モル比熱と蒸気圧と気化熱や融解熱などの特異な性質を備えているために大気の空調の役目をしますから、地球は生物の生活に適した温度範囲の大気で覆われた非常に温和な気候を保っています。葉緑素が太陽光からの 450 nm 近傍の可視光線を吸収して植物は炭酸同化反応により生成するブドウ糖を活力として生命活動を維持していますが、
450 nm 近傍の可視光線を水は若干吸収しますから、植物は水中より陸上の方が強い可視光
線を吸収して効率よく炭酸同化反応することができます。
第 3 章の「生物の生活圏を変えたオゾン」の節で見てきたように、植物の繁茂などにより大気中の酸素は増加を続け、6 億年前の古生代には地球の大気は約 80％の窒素と 20％の酸素で構成されるようになりました。地球のはるか上空では可視光線をはじめ紫外線などあらゆる波長の光が太陽から降り注いでいますが、大気中に大量に増加した酸素分子がこれらの太陽からの紫外線を吸収すると図 3-21 からも明らかなように 2 つの酸素原子を結んでいる結合が励起状態になり、酸素の共有結合が図 3-22 に示すように切断されて 2 個の反応性の高い原子状の酸素ラジカルを生成します。ここで生じた酸素ラジカルは近くに存在する酸素分子と即座に反応してオゾンを生成します。また、酸素ラジカルはわずかに生成したオゾンとも反応して 2 分子の酸素分子に戻ります。ひとたび、光エネルギーを吸収した酸素分子は酸素ラジカルに分解しますが、極めて反応性が高いために複雑な経路を通ってオゾンを生成し、酸素とオゾンが一定の割合を保つように平衡に達します。このようにして地球のはるか上空で酸素から生成し続けるオゾンは、長い年月の間に地球を包むようにオゾンを多く含む層を形成しました。地球を包むこのオゾン層は 300nm より短波長の紫
外線をほとんど吸収してしまい、地表を太陽の強い紫外線から遮蔽する働きをしています。
陸上は効率よく炭酸同化反応が進行する環境ですが、生物体が紫外線の光に晒されればその生物体を構成する原子を結び付けている結合が光エネルギーを吸収して一部で切断されますから、当然生物体の組織は損傷を受けることになります。結果として強く降り注ぐ短波長の紫外線は生体に有毒ですから生物は棲息できません。人類は多少の紫外線に対しては、日焼けすることにより皮膚の中にメラニンという黒い色素を作り防御の体制を作りますが、太陽からの強い紫外線を直接浴びていると、ほとんど全ての生物は絶滅すると思われます。オゾン層の形成によりこの有毒な紫外線を遮蔽された環境になりましたので、
4.7 億年前に水中に繁茂していた植物が上陸し、続いて 3.8 億年前には脊椎動物も上陸して生活圏を陸上に広げてきました。オゾン層が形成したお陰で約 5 億年前から、生物は地球表面の約 30％を占める陸地まで生活圏を拡張して全世界を征服しました。
1970 年代に南極の上空でこのオゾンを多く含む層に穴の開いていることが観測されました。そのオゾン層の希薄になった領域をオゾンホールと呼んでいますが、図 5-1 に示す
72

ようにこのオゾンホールが104㎞2

年々成長し、地球の表面の約 5％にまで大きくなってし2500

まいました。このままの勢2000

いで拡大成長してゆきます

1500と、地球を包んでいるオゾ

1000

ン層がなくなり、太陽からの強い紫外線が地表に届い500て陸上の生物の生活圏が失

0
1975

1985

われてしまうのではないか

1995

2015 西暦 20252005

図 5-1 南極のオゾンホールの面積と危惧されました。
表 5-1 各種気体の沸点と極大吸収

多くの地球科学者がその

化合物名

分子式

沸点

極大吸収

-151.8

166、188、192、218、227

原因について

一酸化窒素

NO

種々考えまし二酸化窒素

NO2/N2O4

21.3

249、611、578、1038

たが、その中

フッ化水素

HF

19.5

161

でオゾンホー

塩化水素

HCl

-85.1

154

ルの破壊は人

塩素

Cl2

-34.1

332

類の使い捨て四フッ化炭素CF4-128.090､78､66

したハロメタクロロトリフロロメタン

CClF3

-80.0

128

ンやハロエタフロン（CFC-12）

CCl2F2-30.0

177､153､135､126

ンが引き起こフロン（CFC-11）

CCl3F

24.0

185､165

しているとい

四塩化炭素

CCl4

76.7

175､142､130､127､112

う仮説を多くブロモトリフロロメタン

CBrF3

61.0

205､142､130の研究者が支

四臭化炭素

CBr4

190.0 253

持しました。主に人為的に大気中に含まれるようになったと思われる種々の気体の沸点と極大吸収を表 5-1 に掲げましたが、四臭化炭素を除いて表 5-1 の黄色地に掲げた四塩化炭
素や種々のフロンガスなどのハ

Cl

Cl

+

O3

O2 + O

O3 + OCl

2O2 + Cl

ロアルカンは非常に波長の短い
紫外線領域の光を吸収します。

紫外線

F2ClC

+ CClF2 開始反応

2Cl

Cl

連鎖反応

大気中に拡散して上空のオゾン2Cl層に到達したハロメタンやハロエタンの炭素－ハロゲン結合は太陽からの波長の短い紫外線を吸収し、開裂して塩素ラジカルなどのハロゲンラジカルを生成

Cl

+

Cl

Cl

2CClF2

F2ClC

CClF2

CClF2

F2ClC

Cl

2O3

Cl

3O2

停止反応

反応の全体

図 5-2 ハロメタンによりオゾンの分解する機構

73

します。生成したこのハロゲンラジカルが近くに存在するオゾンと反応して酸素とハロゲンの結合した酸化物を生成しますが、ハロゲンの酸化物は反応性が高くさらにオゾンと反応してハロゲンラジカルを再生してしまいます。図 5-2 に示すように、この反応はラジカ
ル同士が反応する停止反応が起こるまで続く連鎖反応ですから、1 つのハロゲンラジカルが生成しますと多くのオゾンが酸素に分解してゆきます。フラスコの中にオゾンとハロメ
タンを密閉して紫外線を照射して調べて見ますと、確かにオゾンが分解されることからこの一連の化学反応は検証されました。
オゾン層が上空になくなってしまうと、人類も短波長の紫外線に直接曝されることになり非常に危険ですから、あわてた環境庁（現在の環境省）などの関係機関は急いでハロ
メタンやハロエタンの製造、使用、排出を規制するようにしました。しかし、CCl3F や
CCl2F2 などのハロメタンやハロエタンは有機溶媒や冷媒として広く使われるようになっていましたから、簡単に製造禁止や使用禁止にすることができません。やむを得ず、代替え品としてオゾンの分解する速さが遅く、溶媒や冷媒としての用途に合った CHClF2 や
CH3CCl2F などの水素原子を含むハロメタンやハロエタンを選び許可するようにしました。
1990 年代に為されたそれらの製造や使用の規制と指導による効果がある程度顕れて、図 51 で分かるようにオゾンホールは 21 世紀に入ると若干縮小する傾向になってきました。
日本国内には水道法という法律が施行されており、上水道に供給する水の水質基準が詳細に規定されています。これにより、供給される水は種々の毒性物質や病原生物、異常な味や臭いから汚染されていないことが義務付けられています。特に、衛生上の措置として給水の残留塩素を遊離残留塩素として 0.1mg･L-1 以上保持するよう規定しています。この規定により水道水を塩素ガスあるいは塩素を発生する薬品で殺菌せねばならず、しかも、水道の各末端まで供給される水道水には塩素が過剰に残らなければならないと規定しています。当然水道の供給元から近い末端と遠い末端では水道管中で消費される塩素の量が異なりますから、供給元に近い末端では必要量以上の塩素が残留することになります。このようにして残留した塩素は水道水の特異な悪臭の原因になるばかりでなく、大気中に拡散してゆきます。大気中に拡散した塩素は太陽からの紫外線で塩素ラジカルに分解されますから、ハロメタンやハロエタンが大気中に拡散する時と同じようにオゾン層の破壊に繋がります。
また、種々の物質が溶け込んでいる水を塩素で殺菌するときには、当然それらの不純O物も塩素で酸化されます。この不純物の酸化反応において塩素が塩RC

素イオンに変化する場合には、あO

まり憂慮すべきことはないようにC思います。しかし、酢酸やアセト
アルデヒドやエタノールなど幾つかの種類の物質は塩素と反応し

R

O

-H

CH3

NaOH

R

C

O

Cl 2

CH2

R

C

CH2Cl

Cl 2/NaOH

O

OH

CHCl 3

NaOH

R

C

O

Cl 2

CCl3

NaOH

R

C

CHCl2

図 5-3 クロロホルムを副生する反応の機構

74

て、図 5-3 に示すようにクロロホルムを副生しながら酸化分解してゆきます。このようにクロロホルムを副生する物質は種類としては限られていますが、生命活動に密接に関係する物質が多く、広く地球上に分布しています。ここで発生するクロロホルムの大気中への拡散もオゾン層の破壊に繋がります。このように考えてくると、水道のための水、特に有機物質の多く含む水を塩素で殺菌することはオゾン層の破壊に繋がる問題を含んでいますから、必要以上に水道水の塩素殺菌はすべきでないように思います。オゾンは生体に有毒な気体ですが塩素殺菌と同じような働きをしますから、塩素の代替品として生体への影響を無視しうる非常に希薄な濃度のオゾンを水道水に加えて、企業体は水道水を供給する対応を始めています。
このように地表から高度 10～50km の上空に存在するオゾン層には生物が全く棲息していませんからオゾンの毒性が生命活動に悪影響を与えませんが、生物の生活圏に濃度の高いオゾンが発生しますと公害問題に発展します。稲妻や山火事などの自然現象ばかりでなく自動車エンジン内などの高温の条件では窒素と酸素が反応して一酸化窒素が排気ガス中に少量含まれますが、この一酸化窒素は酸素により容易に酸化されて二酸化窒素を生成します。ここで 2 次的に生成した二酸化窒素は 400nm 領域の光を吸収して分解し、一酸化窒素の再生とともに酸素ラジカルを発生します。さらに、この酸素ラジカルは周囲に存在する酸素分子と結合してオゾンを生成します。この一連の反応では図 5-4 に示すように、排高温
気ガス中に一度発生した一酸化窒素が波長の長N2 + O2
2NO
い紫外線あるいは紫色の可視光線の中で酸素か 2NO + O
2NO
2

らオゾンへの変化を触媒します。太陽光の強い
夏の日盛りには、地表付近でもこのように生成するオゾンが目に沁みたり咳や喉の痛みの原因になりますから光化学オキシダントの主成分と

NO2

2

紫外線

O

+ NO

O3
O + O2
図 5-4 光化学スモッグの発生機構考えられています。

硫黄のおまけ付き石油
地球を覆っている大気は主に酸素と窒素で構成されていますが、そのほかにアルゴンや二酸化炭素などもわずかに含まれています。伊豆七島の三宅島は 2001 年 8 月 26 日に噴火を始めましたが、1 ヵ月後には噴火の最盛期になり噴出した二酸化硫黄は１日に 6 万ｔ、年間では約 2000 万ｔにもおよび、この二酸化硫黄を含む気団が風に乗って 300km も離れた神奈川県や静岡県にまでしばしば流れてきて特有の匂いをもたらしました。また、地中から温泉とともに硫化水素が噴出してきますから、草津温泉の湯畑や箱根の大涌谷ではゆで卵の匂いを持つ硫化水素の大気中濃度がかなり高くなっています。このように大気中には種々の気体が含まれていますが、四日市の石油コンビナートから大量に排出された二酸
化硫黄や隅田川の川底から発生したメタンガスやメタンチオールなど世界的な工業化に伴う複雑な生産活動により種々の気体が発生するようになってきました。
75

東京工業品取引所の調べによると図 5-5 で分かるように、1973 年に日本で消費した石油は 2.9 億ｋL でした。間もなく起こった第 1 次オイルショックにより石油の消費量は 20％近くも激減しましたが、まだ 2 億 kL 以上の石油を消費しています。このように大量に消費する石油は、その原産地により含まれる硫黄分の量が 0.1％から 2.6％まで大きく異なっています。2001 年度に日本が輸入した石油は主にサウジアラビア、アラブ首長国連邦などの中東産油国から約 2.4 億ｋL でしたが、その石油には平均して 1.2％程度の硫黄分を含んでいました。この硫黄分の108kL/year

含有率と石油の総輸入量から計算しますと、年間 290 万トンの硫黄もついでに輸入していることになります。

40
世界

20

日本

硫黄分を除去する処理をしないままにこの石油を全て燃焼したとすれば、当然含
まれている硫黄分は 570 万ト

0
1970

1980

1990

2000

2010

西暦

図 5-5 年間石油消費量の推移

ンの二酸化硫黄として大気中に放出されることになります。世界の石油消費量は図 5-5 から日本の約 17 倍と算出されますから、世界中で放出される二酸化硫黄の量は年間約 1 億トンと概算されます。三宅島の噴火の最盛期でも年間 2000 万ｔに過ぎませんでしたから、石油中の硫黄分を放出することは大気汚染を引き起こします。
1950 年代までは多量に含まれる硫黄分を除去する処理をせずに、石油を自動車や火力発電の燃料にしていました。その当時、大分、岡山、千葉など多くの臨海地帯に石油コンビナートが建設されましたが、三重県の四日市市にも三菱モンサントが中心になって大きな石油コンビナートが建設されました。石油コンビナートでは輸入された原油をガソリン、ディーゼル油、灯油、重油など色々の溜分に製油し、揮発性部分はパイプで隣接する別の化学工場に送られ、ポリエチレンなどの化学製品の原料として供給されていました。また、
重油はパイプで隣接する火力発電所に送られ、燃料として用いられました。このような石油を中心とした複合的工場群では、多量の硫黄分が燃焼され二酸化硫黄として大気中に排出されていました。1959 年ごろから、工場群に近い四日市市では大気中の二酸化硫黄の濃度がかなり高くなってきました。四日市市の住民が呼吸するたびに二酸化硫黄が肺の中に入り硫酸となって、肺の組織を破壊するようになってゆきました。結果として、喘息に罹る四日市市の住民が急増しましたので、四日市喘息と呼ばれ、大きな公害問題にまで発展してゆきました。
ガソリンやディーゼル油の中に含まれていた硫黄分も自動車が走り回る間に、二酸化硫黄を含む排気ガスとして道路に撒き散らしていました。この二酸化硫黄は空気より比重が 2 倍ほど重いため、交通量が多く盆地のような地形の道路で SO2 や SO3 などの SOx の濃度の特に高くなる傾向がありました。東京都新宿区柳町の交差点はこの条件に合致してい76たため、付近の住民はしばしば排気ガスによる目の異常を訴えることになりました。そこで東京都や環境庁が毎日定期的に大気中の SOx の濃度を測定し、その値が高くなる気象条
件の時には注意報を発令するようになりました。他方、イギリス、フランス、ドイツなどの西ヨーロッパの工業地帯でも、多量の石炭や石油が消費されていましたので、付随して多量の二酸化硫黄が大気中に放出されていました。この二酸化硫黄は風に乗って東に流れ、雲の中の水滴に溶け込んで希硫酸を含む酸性の雨となり、ドイツ南部地方に降り注ぎました。黒い森を意味するシュブァルツバルトと呼ばれるドイツ南部地方は古くから深い森に覆われていましたが、硫酸を含む酸性雨により森の荒廃が急激に進み、国境を越えたヨー
ロッパの大問題に発展しました。
1967 年に公害対策基本法が制定され、企業は工場内で石油精製の折に硫黄分を取り除く処理など公害物質を処理することを義務付けられました。また、前節の「紫外線の

104t

100
80
60

光が密接に関係するオゾン」

40

で取り上げた酸化窒素ととも20に二酸化硫黄の排出がかなり

0
1978

抑えられるように自動車エン

SOx
NOx
PM2.5

120

ジンの改良の努力がなされま

1988

1998

2008 西暦 2018

図 5-6 大気汚染物質排出量した。図 5-6 には環境省が報告している日本国内における NOx と SOx と粉塵のＰＭ2.5 の排出量の推移を示しておきますが、これによると 1980 年代の後半からは石油に含まれる
硫黄分の約 90％が取り除かれるようになりましたが、未だに 10％ほどが大気中に SOx として排出されています。1985 年以降の日本国内で排出されているこの年間約 60 万トンの二酸化硫黄は、三宅島で噴火以来放出されてきた 1650 万トンの二酸化硫黄に比べれば極めて少なく、現状が維持される限りは余り問題視する必要がないように思います。環境省の報告による大気中の SOx 濃度の推移においても 1980 年代後半からは 0.005ppm 以下に落ち着いています。このように考えてくると、全世界が日本国内程度の二酸化硫黄の排出基準を守ることは技術的に可能です。38 億年の長い期間に地球を覆っている大気は生物の進化と手を携えるようにともに互いに進化してきました。人類も生物の端くれですから青銅器文明に始まり産業革命など徐々に進化していますが、地球の大気の進化を不注意に曲げることは許されません。全世界が不用意に二酸化硫黄や酸化窒素を排出して森を枯らした
り、健康を害する原因を生むことのないように努力しなければなりません。

近年の大気中の二酸化炭素の変化
第 2 章の「太陽系惑星の大気」の節で見てきたように、太陽系の地球は金星と同じ程77

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 3-2 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、海が地球表面の 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 5-7 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 5-7 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 1960～2020 年の間に大気中の二酸化炭素濃度は約320ppm から 1.3 倍増加しました。さらに増加速度が上向いていますから、2030 年には440ppm に達すると予想されます。

ppm

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

火を熾すことは
人類以外の動物に400は真似のできない
知識と技術で、人類が霊長類と自称

350

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

300
1940

1960

1980

2000

2020 西暦

図 5-7 大気中の二酸化炭素濃度と脱炭素効果予測

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。
78

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 5-8 に示すように、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 5-9 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

Mt
12000

天然ガス

10000
8000

石油

6000
4000
石炭

2000
0
1965

37600Mt （ 3.76x1013

1975

1985

1995

2005

2015 西暦

図 5-8 化石燃料の消費量㎏）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

Mt
40000
30000

推定実測値
近似式値

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 5-9 の赤色線で示

20000
10000
0
1940

すような近似曲線に

1960

1980

2000

2020 西暦

図 5-9 二酸化炭素排出量の変化

より過去から未来まで考えてみます。
地球の全大気の重量は 5000000000Mt（5x1018kg）、比重は 1.251kg･kL-1 と見積もられていますから、2019 年に排出された二酸化炭素は大気中の二酸化炭素の濃度を約 5ppm 押
し上げると算出できます。しかし、全世界の 2020 年の大気中の二酸化炭素の濃度は前年に比べて 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 5-9 の近似式の曲線は図 5-10 の緑色線で示すような曲線に書き換えられます。

79

第 3 章の「石灰石の生成」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、波や対流などにより海水が攪拌して気体の溶解に影響する深さを 5m と仮定しますと式 3-5 から、大気中の濃度が 8.58ppm 下がる量の二酸化炭素が海に溶けて海水中の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、

ppm

地球全体が吸収出8

来る二酸化炭素量が図 5-10 の青色線に示すように示さ

ヘンリーの法則による限界
推定実測吸収量
推定排出量

6
4

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201940

出量で増加し、海

1960

1980

2000

2020 西暦

図 5-10 海が吸収する二酸化炭素量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 5-1 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 5-2 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 5-11 の青色線で示すようになり、赤色線で示す近似式が式 5-3 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 5-11 に赤色線で示します。図 5-11 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

吸収率
0.6%

5-3 で求められる実際の吸収率
Rn は図 5-11 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れている実際量のかなり少ないことがわ

0.4%
0.2%

吸収率値
近似式値

0.0%
300

350

400

濃度(ppm)

図 5-11 海水中などへの吸収係数

かります。

式 5-1

𝐷𝑛+1 = 𝐷𝑛 + 𝐻𝑛 − 𝐴𝑛80𝐴𝑛 = 𝑅𝑛 ∙ (𝐷𝑛 + 𝐻𝑛 )

式 5-2

𝑅𝑛 = −9.44 × 10−8 𝐷𝑛2 + 0.000109𝐷𝑛 − 0.0233

式 5-3

式 5-1 と式 5-2 と式 5-3 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 5-7 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 5-7 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「石灰石の生成」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 5-7 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。

水素により大気汚染を抑えられるか？
1966 年に Cameron が見積もった元素存在比では表 2-8 に抜粋しましたように、宇宙に存在する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。太陽系の天体も例外ではありませんから、太陽系が誕生した時には、それぞれの惑星の大気の主成分は水素とヘリウムを主体とする宇宙の元素存在比で出来ていたと思われます。しかし第 3 章の「冥王代の地球の大気」の節で見てきたように、2700K 以下では水の生成反応が発熱反応ですから、水素と酸素の混合気
体から水が自働的に生成すると思われます。さらに、地球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から、地球上の水素は気温が 2000K の時に約 4000 万年（4x107 年）でほとんど飛散すると見積もられます。1600～2000K の温度まで冷えてきた地球において、水素分子の一部は水に変化し他の大部分は宇宙のかなたに飛散してしまい 43 億年前の冥王代の終わり頃には地球上に大量の液状の水が溜まり海を形成するとともに、大気中にはほとんど水素が残らなかった81

と考えられます。現在の地球上おいては水素原子を大量に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。
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、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て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 の体積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 3-6 および 3-7 で明らかなように水を分解して水素を生成するためには 68kcal･
mol-1 の E(H2O)を要します。
(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 5-12 水蒸気改質法を表す熱化学方程式

また、図 5-12 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5-12 の青色文字で示す（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
きますと酸素を加えないとき（y＝0）には反応熱が－41kcal･mol—1 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 5-12 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。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 1g ずつの炭素とオクタンについて図 5-13 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 5-13 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 5-13 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82

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 5-13 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
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 5-13 炭素（実線）とオクタン（点線）の水蒸気改質法における酸素の影響
は熱化学方程式で考えてきましたから、図 5-13 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み供給可能な水素ガスの原料になりうる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、水素は水の電気分解あるいは炭化水素の水蒸気改質法により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83

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 5-13 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。
水素は大気汚染を抑える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—1 の水素は 21200kcal の燃料となり、ボンベの重さを考慮した実質的な水素の燃焼熱は 0.4kcal･g—1 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、携行缶の重さを考慮した実質的なガソリンの燃焼熱は 9.8kcal･g—1 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、水素は大気汚染を抑える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。
蟻や蜜蜂は大きな社会を作り安定した食料の確保と種の保存に努めています。猿や狼もかなり知恵を働かせて社会を作り、生命活動の維持に努めています。オゾン層の形成により紫外線が遮蔽されるようになると、多くの植物が強い太陽光を求めて上陸して繁茂するようになりました。人間も有史以来非常な危険を伴う火を遣いこなして生活環境を整えたり、道具を使って作業の効率化を図ったり、社会を形作って生活を安定化させたりして最小限の労力で食料の安定した供給を可能にすべく努力してきました。このような努力は
産業革命により加速され大掛かりになり、IT 技術の進歩により大多数の人間は考えることも労働をすることもなく日常生活を維持できる社会を作り上げようとしています。このよ
うに効率よく安定した活力を確保することは生物の進化の方向と考えられ、人間の進化の方向も自然の摂理に則ったものと思われますが、あまりにも急激な進化のためには多量のエネルギーを要します。
人間は昼間の明るい時間に狩猟をしたり日向ぼっこで体を温めたりと定常的に太陽から贈られてくる太陽光のエネルギーを直接的に利用し、畑に種をまいて作物を作り、森で枯れ木を集めてきて焚火をしたりして太陽光のエネルギーを間接的に利用して不足するエ
ネルギーを有史以来補っていました。しかし、産業革命以降は定常的な太陽からのエネル
ギーだけでは不十分になり、地球が誕生以来持ち続けてきた放射性物質のエネルギーや、
46 億年の間に太陽から贈られてきたエネルギーを石油や石炭や天然ガスなどの形で少しずつため込んできた化石燃料を使って不足するエネルギーを補完しています。これらの化石
燃料がエネルギーを放出した後にはプルトニウムなどの放射性物質や二酸化炭素などの残渣が残り、地球の大気の構成を変化させます。エネルギー産業の発展とともに発生量の減量に伴い二酸化炭素は海に溶けて石灰石となり、第 3 章の「石灰岩の生成」で見た化学平84

衡の値に戻ると思われますが、人間と呼ばれる生物の進化に連れて地球大気が進化したと考えられます。
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。

85

6. 未来の地球の大気
大気汚染も大気の進化の一過程
誕生間もない 46 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したが、地球が次第に冷えて 2700Ｋ以下なると水素と酸素が結合してよりエネルギーの安定な水になります。このような経過で 43 億年前の冥王代の終わり頃には大気中には酸素がほとんど含まれず、地球上に大量の液状の水が溜まり、海が形成したと考えられています。二酸
化炭素やシアン化水素やアンモニアなどの気体は水によく溶けますから、海に溶けて大気中にほとんど含まれなくなりました。多くの二酸化炭素は海中に溶け込んでいるカルシウ
ムイオンと反応して石灰石として沈殿し、シアン化水素は形を変えてアデニンやグアニンとして海に溶けました。38 億年前の太古代になりますと、二酸化炭素やアデニンやグアニ
ンの溶け込んでいる海の中に生物が発生しました。誕生間もない生物の中にはメタン生成菌と呼ばれるメタンを生成する反応の反応熱を活力とする生物が生存していたと考えられますが、その進化は遅々としたものでした。
21～24 億年前の原生代に起きたヒューロニアン氷河期の終わりごろに、海水中や大気中の二酸化炭素の濃度が高く大気の温度も高い生物の繁殖に適した環境に恵まれて 25～30
億年前ごろに藍藻類（シアノバクテリア）が爆発的に繁殖しました。この藍藻類は太陽光のエネルギーを利用した二酸化炭素と水の反応によりブドウ糖と酸素を生成する単細胞で、生成したブドウ糖が分解するときに生じる僅かなエネルギーを活力にして生命活動を営んでいました。この時代に誕生した酵母（イースト）や乳酸菌は環境の変化に適応しながら現在も熱効率の悪い組織のままに生き延びています。
地球の歴史の前半には大気中に酸素がほとんど存在しませんでしたが、この藍藻類の爆発的な繁殖により二酸化炭素が急激に減少するとともに酸素が大量に排出され、23~25
億年前の時期に大気中の酸素濃度は約 0.2％程度まで急増しました。大気中に若干ながら含まれるようになった酸素によりアセトアルデヒドを酸化して熱効率の向上した酢酸菌などの生物に進化しました。生物が進化し繁殖することにより地球も徐々に進化して、大気中の酸素濃度が約 20％まで上昇しました。この地球の進化に合わせて生物もさらに高い熱効率の酸化分解により多量のエネルギーを得て体格が大きく複雑な組織を持つように進化し、生活領域も陸上にまで拡張してきました。38 億年の長い時間の経過の間に地球を覆っている大気は生物の進化と手を携えるようにともに進化してきました。
自転や公転のわずかな変化により地球は 38 億年の間に温度の大きな変化を伴う氷河期と間氷期を繰り返して経験してきました。この大きな気温の変化により生物は非常に激しく繁殖したり、急激に死滅に向かったりする複雑な進化の経過を強いられました。繁殖に伴う生物の枯れ木や枯葉や死骸も多量に形成しますが、多くは他の生物の糧になります。
しかし、一部は凍結したり乾燥したり風化したりして、サンゴ礁や石炭や石油や天然ガスなどに形を変えて地球上に残りました。このように生物の枯れ木や枯葉や死骸が二酸化炭
86

素と水に復する自然浄化の生物循環の機構の他に、地球を構成する物質に変形して残る機構も生物の進化の一部と考えられます。
サンゴはクラゲやイソギンチャクと同じ分類に属する海に棲息する動物で、貝類のよ
うにカルサイト（方解石）やアラゴナイト（霰石）などの炭酸カルシウム（CaCO3）の殻を持つ身体を海底に固着させて、その体内に藻類を共生させています。炭酸同化作用により藻類が合成した栄養を活力にして生命を維持していますから、温暖な水深の浅い海で盛んに繁殖します。サンゴの生体は生物循環の機構により自然浄化されて二酸化炭素と水に戻りますが、殻を形成している炭酸カルシウムの死骸が比較的遠浅の島の周囲に堆積してサンゴ礁を形成します。図 6-1 に示すようにこの一連の反応では 1mol の水酸化カルシウム

括できます

+

9O2

（石油）

3CH4

6O2

+

+

Ca(OH)2 CO2+

C6H12O6

3CO2（天然ガス）

CaCO3 6CO2 7H2O（サンゴ礁）

+

ブドウ糖

シウムを生
成すると総

C6H12

+

6O2

6H2O

（石炭）

+

C6H12O6+

6CO2 6H2O

6O2

+

の炭酸カル

+

素 か ら 1mol

6C

+

と二酸化炭

図 6-1 ブドウ糖から石炭、石油、天然ガス、サンゴ礁への変化

から、サンゴ礁の形成される折には大気中の二酸化炭素が減少します。
植物は炭酸同化反応により 6mol の二酸化炭素と水から１mol のブドウ糖を生成します
が、同時に 6 mol の酸素を放出します。生成したブドウ糖をメタン菌が生命活動の活力とするときには 3 mol のメタンと二酸化炭素を放出します。図 6-1 に示すようにこの一連のメタン菌の反応では 3mol の二酸化炭素と 6 mol の水から 3 mol のメタンを生成するとともに 6 mol の酸素を放出すると総括できますから、メタンが天然ガスとして地球に蓄積される折には二酸化炭素と水が減少し酸素が置き換わるように増加します。同じように生成したブドウ糖が堆積し風化するときには 6mol の石炭と水を放出します。図 6-1 に示すように
この一連の炭化の反応では 6mol の二酸化炭素から 6 mol の炭化物を生成するとともに 6
mol の酸素を放出すると総括できますから、炭化物が石炭として地球に蓄積される折には二酸化炭素が減少し酸素が置き換わるように増加します。
石油は産油地によりその元素組成にかなりばらつきがありますが、平均的な組成比がC6H10.6S0.1 ですから、種々の不飽和炭化水素の混合物でかなり複雑な反応過程を経て生成していると思われます。生成したブドウ糖から初期段階で 3 mol の酸素とともに 1 mol のヘキセン（C6H12 ）を生成し、さらにこのヘキセンが縮合や分解や異性化の反応により種々の炭化水素に変化したと思われます。この一連の生成反応では 6mol の二酸化炭素から 1 mol の C6 に相当す る不飽和炭化水素を生成するとともに 9 mol の酸素を放出すると総括できますから、石油として地球に蓄積される折には二酸化炭素と水が減少し酸素が多量に放出されます。このように生物の死骸や枯れ木や枯葉がサンゴ礁や石炭や石油や天然ガスなどに形を変えて地球上に残る機構は生物の進化の一部と考えられますが、同時に大気中から二酸化炭素が減少し酸素が増加する地球の大気の進化でもあります。現在の地球の87大気は表 3-1 に示すように主に 78％の窒素と 21％の酸素で構成されていますが、未来は大気中の酸素の割合がさらに増加する地球環境の酸化状態への変化が進行すると思われます。
このようにして生物は太陽から贈られてくるエネルギーをブドウ糖に変換して、生命維持のための活力にしてきましたが、同時に一部のブドウ糖はメタンガスや天然ガスや石炭や石油として太陽からのエネルギーが地球上に貯蓄してきました。このエネルギーの貯蓄により大気圏の二酸化炭素が減少し酸素が増加してきました。
38 億年前に生物が誕生した後、35 億年前に進化してきたメタン生成菌は生命維持のためのエネルギーの熱効率は極めて低い組織でした。太陽光のエネルギーを吸収してブドウ糖を生成できるように進化した藍藻類（シアノバクテリア）が 25～30 億年前ごろに爆発的に繁殖しましたが、そのブドウ糖をエネルギーに変換する熱効率はあまり高くないと乳酸菌や酵母の例から推察できます。さらに酢酸菌や 6 億年前の古生代以降に進化してきた
種々の生物の例から、生物が進化してブドウ糖を酸化することによりブドウ糖をエネルギーに変換する熱効率の次第に向上してきたことが伺えます。このように太陽光のエネルギ
ーを生命活動の維持のための活力に変換する熱効率は生物の進化とともに向上しましたが、熱効率の向上につれて生物の組織は巨大化し、複雑な組織や機構や優れた能力を持つようになりました。
古生代以降に進化してきた植物は二酸化炭素からブドウ糖を経由して二酸化炭素へ戻す変化により太陽光のエネルギーを生命維持のためのエネルギーに変換して自給自足していますが、その熱効率を超えてそれ以上に熱効率を向上させることには限度があると思われます。植物が生命維持のために蓄えたブドウ糖を、食べ物として取り込んで必要なエネ
ルギーとして利用する動物は太陽からのエネルギーを自給自足しない生物と考えられます。
大量の食べ物が稔る環境では、動物は巨大な体格や複雑な組織や機構や優れた能力を持つようになり、労せずして豊かな生活を送るようになりました。人類も動物ですから植物や動物を食べてその中に含まれる栄養をエネルギーに変えて生活していましたが、人類の文明の発展とともに植物を燃やして外的にエネルギーを利用するように進化しました。特に、産業革命以降は石炭や石油などの化石燃料の他に、原子力燃料や水力や潮力や風力など利用しうるあらゆるエネルギーを生活に取り込むようになりました。
生物の誕生以来 38 億年の間に、生物は利用しうるエネルギーが多くなるに連れて組織が巨大化し、複雑な組織や機構や優れた能力を持つようになり、生活が豊かになるように進化してきました。このように考えて来ると、人類が化石燃料や原子力燃料までエネルギーに変換して日常生活に供していることも生物の進化と考えることもできます。その結果として生じる大気中の二酸化炭素濃度の上昇も気温の上昇による温暖化も地球の進化の一過程と考えることもできます。
このように地球の大気の進化と生物の進化の絡み合いを考えることが何か一つでも化学の研究や教育の上で参考になれば良いと思っております。また、地球の大気の進化と大気汚染の関係などを考えることが幸せな人生を考える上で助けになり、多くの化学的な技
88

術や知識の発展の助けにまでなれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。
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。

89

索引

あ

海の面積..................................................... 81
ウラシル....................... 67, 68, 69, 70, 71, 72

RNA..............................42, 63, 68, 70, 71, 72

運動エネルギー ..... 13, 14, 15, 22, 23, 27, 28,

Einstein ................................................. 7, 15

36, 37アセチル補酵素 ........................60, 61, 71, 72

えアセトアルデヒド ........................... 52, 59, 60
圧力 ............................................................ 32

ATP .................. 42, 56, 57, 59, 61, 62, 71, 72

アデニン 2, 39, 40, 41, 42, 47, 56, 62, 67, 68,

ADP ........... 48, 51, 54, 56, 57, 59, 60, 61, 62

69, 70, 71, 72, 87

液体 ............................................................ 37

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

エステル結合 ............................................. 60

アニリン ......................................... 42, 68, 69

エタノール ......................... 30, 51, 52, 54, 56

アボガドロ数 .......................................... 9, 13

NADP ........................................................ 71

アミン ......................................................... 30

NADPH .... 42, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55,

アルコール.................................................. 52

56, 57, 59, 60, 61, 63, 64, 65, 66, 71, 72

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

NADP 陽イオン .... 48, 49, 51, 52, 55, 56, 57,

アルデヒド................................32, 53, 54, 55

59, 60, 61, 64, 66

アルドール反応 .......................................... 53

エノール..................................................... 68

アルファベット ............................................ 9

FAD ..................................................... 71, 72

Arrhenius................................................... 26

塩化水素..................................................... 31

アンモニア............................................ 22, 30

塩化物 ........................................................ 33

い

塩基性 ........................................................ 53
炎色反応..................................................... 17

硫黄 ..............................20, 22, 30, 76, 77, 78
イオン ..................................................... 9, 63
イオン性 ..................................................... 31
一酸化炭素.................................................. 30
一酸化窒素............................................ 74, 76
イミダゾール ........................................ 39, 65

塩素 ................................................ 30, 31, 33
塩素ガス..................................................... 75
塩素殺菌..................................................... 76
塩素ラジカル ....................................... 74, 75
エンタルピー ............................................. 34
エントロピー ....................................... 36, 37

陰イオン ............................................... 31, 33

おう
黄銅 .............................................................. 7渦巻銀河 ..................................................... 40
宇田川榕菴.................................................. 31
宇宙線 ......................................................... 20

オキザロ酢酸 ............................................. 60
オゾン .................... 43, 44, 45, 73, 74, 75, 76
オゾン層......................................... 46, 73, 75

90オゾンホール ........................................ 73, 75
Oró ............................................................. 41

か外殻電子 ....................................................... 8
解離 ...................................................... 52, 83
Gauß........................................................... 23
可逆反応 ............................................... 26, 33
可逆平衡 ............................................... 32, 52
角砂糖 ......................................................... 57
拡散 ...................................................... 74, 75
核酸塩基 .............................67, 68, 69, 70, 71
核融合反応............................................ 20, 40

き
気化 ............................................................ 37
気化熱 ........................................................ 37
気体 ............................................................ 37
気体定数..................................................... 26
基底状態............................................... 44, 45
キノン .................................................. 64, 66
揮発性 ........................................................ 77
Cameron .............................................. 20, 82
吸光係数............................................... 17, 18
吸光度 ........................................................ 18
吸収 ..... 14, 16, 17, 18, 20, 44, 45, 48, 49, 50,
51, 55, 61, 73, 74, 76

化合物 ......................................................... 67
可視光線 .......... 16, 17, 18, 19, 44, 45, 73, 76
火星 ....................................22, 29, 33, 79, 86
火成岩 ............................................. 30, 33, 86
化石燃料 ...................................80, 82, 85, 89
活字 ............................................................ 71
活性化自由エネルギー ............................... 26
褐藻類 ......................................................... 50
活版印刷 ..................................................... 71
カリウム ......................................... 30, 31, 33

吸収率 ........................................................ 81
吸熱反応..................................................... 26
共鳴 ............................................................ 52
共鳴安定化 ........................................... 48, 51
共鳴エネルギー .................................... 39, 41
共役 ............................................................ 49
共有結合................................... 11, 12, 44, 54
極大吸収......................................... 44, 50, 74
金星 .................................... 22, 29, 33, 78, 86

Galileo Galilei ............................................ 22
カルシウム....................30, 31, 33, 51, 82, 86

く
グアニン 2, 39, 41, 42, 47, 67, 68, 69, 70, 71,

カルボン酸...................................... 52, 53, 55
カルボン酸陰イオン ................................... 52
還元 ..........................................51, 53, 55, 61
還元型ビタミン B2 ..................................... 61
還元剤 ......................................................... 48
還元状態 ...................................48, 49, 59, 61
還元電位 ...................................48, 49, 51, 59
還元反応 .......... 48, 49, 50, 56, 57, 59, 61, 83
環構造 ......................................................... 55

72, 87
Coulomb ...................................................... 7
クエン酸..................................................... 60
クエン酸サイクル ................................ 60, 61
組版 ............................................................ 71
グリセルアルデヒド .................................. 53
グロビン............................................... 65, 66
クロロフィル ............... 42, 43, 47, 49, 55, 60
クロロホルム ....................................... 75, 76

間氷期 ................................................... 43, 87

け

γ線 ............................................................ 18

結合エネルギー........................ 12, 44, 52, 5991

結合角 ......................................................... 12

酸化反応................. 48, 53, 59, 60, 61, 65, 75

結合距離 ......................................... 12, 32, 45

酸化分解..................................................... 61

結合双極子モーメント ............................... 31

産業革命............................................... 80, 82

ケトン ......................................................... 68

三行思想................................................. 7, 10

嫌気性生物............................................ 55, 57

3 重結合 ..................................................... 11

原子核 .......................................7, 8, 9, 11, 14

酸性 ...................................................... 32, 52

原子吸光分析法 .......................................... 18

酸性雨 ........................................................ 78

原子模型 ................................................... 7, 8

酸性度 ........................................................ 52

原生代 .......................................43, 62, 63, 87

酸素 ... 2, 6, 11, 13, 14, 20, 22, 27, 29, 30, 31,

元素記号 ...............................9, 10, 20, 30, 40

35, 36, 40, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51,

元素組成 .............................19, 20, 30, 82, 86

52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62,
63, 64, 65, 66, 67, 68, 71, 73, 76, 79, 82,こ
光化学オキシダント ................................... 76
好気性生物.................................................. 55
光合成 ......................................................... 58
酵素 ....................... 42, 56, 59, 60, 66, 71, 72
酵母 ....................... 56, 57, 58, 59, 62, 87, 89
五行思想 ................................................... 4, 5

83, 84, 86, 87, 88
酸素原子............................................... 11, 32
酸素同素体 ................................................. 45
酸素発生複合体 .......................................... 49
酸素ラジカル ................................. 45, 73, 76
3 態............................................................. 36
残留塩素..................................................... 75

古生代 ........ 43, 45, 55, 58, 60, 64, 66, 73, 89

し古典力学 ....................................................... 7
互変異性 ..................................................... 68

シアノバクテリア . 42, 43, 45, 47, 55, 62, 87,

Columbus ................................................. 4, 5

さ89
シアン化水素 ........................... 30, 40, 41, 79
四塩化炭素 ................................................. 74

サイコロ ..................................................... 57
細胞膜 ......................................................... 63
錯塩 ...................................................... 64, 65
酢酸 ....................................52, 54, 59, 60, 61
酢酸菌 .......................................59, 62, 87, 89
酢酸発酵 ............................................... 58, 59
酸化 ..............................22, 33, 46, 51, 55, 75
酸化カルシウム .......................................... 34
酸化剤 ......................................................... 48
酸化状態 ......................................... 48, 49, 59
酸化電位 ..................................................... 59
酸化・還元反応 .............................. 48, 56, 57

紫外線 .. 16, 17, 18, 19, 44, 45, 73, 74, 75, 76
σ結合 ........................................................ 11
示差走査熱量計 .......................................... 37
脂質 ............................................................ 63
質量 .......................................................... 8, 9
質量数 .......................................................... 9
シトクロム ................................................. 49
シトシン............................. 67, 68, 69, 70, 71
脂肪 ............................................................ 61
自由エネルギー .......................................... 26
自由エネルギー変化 ...................... 52, 53, 62
周期表 .................................................... 8, 1092縮合反応 ............................................... 53, 60

積聚説 .................................................. 4, 5, 7

主量子数 .........................8, 14, 15, 16, 17, 18

石炭 ................................................ 80, 82, 83

Schrödinger ................................................. 7

石油 .......................................... 80, 82, 83, 84

硝酸塩 ......................................................... 33

石灰石 ...................................... 33, 34, 51, 82

醸造酒 ......................................................... 56

セルロース ........................................... 55, 57

衝突の機会.................................................. 50

遷移金属....................................................... 8

鍾乳洞 ......................................................... 34

遷移状態............................................... 25, 26

Jones .......................................................... 34

そ触媒 ............................................................ 61
真鍮 .............................................................. 7
振動数 ......................................................... 15

双極子モーメント ...................................... 31
層状 .............................................................. 8
速度 ...................................................... 13, 29

すた
水酸化物イオン .......................................... 35
水酸基 ......................................................... 52
水質基準 ..................................................... 75
水蒸気改質............................................ 83, 84
水素 .. 2, 9, 11, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 23,
24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35,
36, 37, 39, 40, 41, 42, 44, 45, 47, 48, 49,
51, 52, 54, 56, 58, 62, 65, 67, 68, 69, 70,
71, 72, 74, 75, 76, 79, 82, 83, 84, 85, 86,
87, 88水素イオン.................................................. 34
水素結合 ... 35, 36, 37, 39, 42, 67, 68, 69, 70,
71, 72水素原子 ................................................. 9, 11
水素放電管.................................................. 16
水素陽イオン ............................32, 48, 49, 52
スペクトル................................15, 16, 18, 50

耐気性生物 ................................................. 55
大気中の濃度 ........................... 79, 80, 81, 82
太古代 .......................... 42, 47, 55, 57, 62, 87
堆積岩 .................................................. 31, 33
太陽系 ................................ 20, 22, 24, 82, 86
脱出速度................................... 22, 24, 29, 79
脱出分子量 ................................................. 79
脱水反応..................................................... 60
脱炭酸反応 ........................................... 60, 61
脱炭素 ............................................ 79, 82, 85
炭化水素......................................... 31, 83, 84
単結合 ........................................................ 11
炭酸 ................................................ 32, 33, 53
炭酸イオン ............................... 32, 34, 50, 51
炭酸塩 .................................................. 33, 82
炭酸カルシウム ............ 33, 34, 51, 79, 86, 88
炭酸水素イオン ........................ 32, 33, 34, 51

せ炭酸水素塩 ................................................. 33

正 4 面体 ..................................................... 12

炭酸水素カルシウム ............................ 33, 34

正規分布 ..................................................... 23

炭酸同化..... 42, 45, 46, 47, 53, 55, 58, 73, 88

静電的斥力.................................................... 9

炭水化物......................................... 55, 58, 63

静電的な引力 ..................7, 10, 11, 34, 35, 36

炭素 ................................................ 56, 58, 61

舎密開宗 ..................................................... 31

炭素原子............................................... 32, 5493単体塩素 ..................................................... 75

でんぷん................................... 55, 56, 58, 61

タンパク質............................................ 61, 63

ち
窒素 5, 13, 14, 16, 20, 21, 22, 27, 28, 29, 30,と同位元素....................................................... 9
糖類 ...................................................... 56, 58

31, 35, 36, 39, 40, 42, 43, 44, 45, 47, 50,
54, 55, 58, 60, 65, 67, 68, 73, 76, 78, 79,
86, 89チミン .................................67, 68, 69, 70, 71

なナトリウム ..................................... 30, 31, 33
ナトリウムランプ ...................................... 17

中性子 ................................................. 7, 9, 14
直線構造 ..................................................... 32てに
二酸化硫黄 ..................................... 76, 77, 78
二酸化炭素 2, 5, 6, 22, 23, 29, 30, 31, 32, 33,
34, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 50, 51, 53,

出会いの反応 .............................................. 50

54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64,

定圧モル比熱 ............................13, 21, 38, 73

67, 71, 76, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 86,

DNA ...... 2, 42, 63, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72

87, 88, 89

呈色反応 ..................................................... 33
デオキシヘモグロビン ......................... 65, 66
デオキシリボース ................................. 68, 69
デオキシリボ核酸 ....................................... 66
デオキシリボヌクレオシド .................. 67, 68
鉄... ................................................. 20, 59, 64
電位差 ......................................................... 48
点火 ...................................................... 57, 58
電荷 ............................................................ 34
電解質 ......................................................... 83
電荷の偏り.................................................. 35

二酸化窒素 ........................................... 74, 76
西尾尚道..................................................... 47
2 重結合 ....................... 11, 32, 49, 50, 52, 62
2 重螺旋 ..................................................... 69
2 進法 ......................................................... 72
乳酸 ............................................................ 62
乳酸菌 ................................ 57, 59, 62, 87, 89
乳酸発酵............................................... 57, 58
Newton .................................. 4, 7, 13, 15, 23
2 量化 ......................................................... 52

電気分解 ......................................... 45, 83, 84
電子 .. 7, 9, 10, 11, 13, 14, 34, 48, 49, 51, 52,

ぬヌクレオシド ............................................. 71

83

ね

電子計算機.................................................. 66
電子対 ......................................................... 52

ネオンサイン ............................................. 17電子の偏り............................................ 31, 34

熱化学方程式 ....................................... 83, 84

電磁波 ............................................. 20, 21, 40

熱効率 .................... 54, 59, 62, 63, 84, 87, 89

電導性 ......................................................... 83

熱容量 ........................................................ 38

天然ガス ......................................... 80, 83, 84

燃焼 .............................. 54, 62, 77, 80, 83, 85

電波 ............................................................ 18

燃焼熱 ............................................ 54, 62, 84

94

粘性 ............................................................ 37

はHaber ......................................................... 28
灰... ............................................................. 58
配位結合 .......................35, 36, 50, 64, 65, 66
π結合 ......................................................... 12配座異性体.................................................. 68
排出量 ............................................. 80, 81, 82
ハイドロキノン .......................................... 49
波長 ............................................................ 50
発光 ..............................14, 15, 17, 18, 19, 20
発熱反応 .... 26, 27, 28, 49, 54, 59, 60, 82, 84
Balmer ....................................................... 16

ふファンデルバアルス力 ............................... 34
フィコシアニン .................................... 42, 43
フィコシアノビリン ................ 42, 43, 47, 55
フェノール ........................................... 68, 69
フェレドキシン .................... 2, 49, 63, 64, 66
フォトン..................................................... 15
付加反応............................................... 32, 60
輻射 ................................................ 22, 24, 79
複素環芳香族 ............................................. 65
ブタン酸..................................................... 54
沸点 ............................................................ 37
ブドウ糖.... 47, 50, 51, 53, 54, 55, 56, 57, 58,
59, 60, 61, 62

ハロアルカン .............................................. 74
ハロメタン............................................ 74, 75
反応座標 ..................................................... 25
反応速度定数 .............................................. 26
万有引力 ............................................... 24, 29
万有引力定数 .............................................. 23

プラストキノン .......................................... 49
プラストシアニン ...................................... 49
Plank ............................................... 7, 15, 44
Fraunhofer ................................................ 18
プリン ...................................... 40, 41, 68, 69
Brønsted .................................................... 52

ひフロン ........................................................ 74

pKa ....................................................... 35, 52

分解反応............................................... 56, 62

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

分光 ................................................ 17, 18, 20

ヒスチジン.................................................. 65

分子 ............................................................ 61

ヒストン ..................................................... 71

分子間力............................................... 34, 36

ヒストンアセチル基転移酵素 ..................... 71

分子吸光係数 ............................................. 50

ビタミン B2 ................................................ 61

分子双極子モーメント ............................... 32

表音文字 ......................................... 68, 69, 71

分子量 ............................................ 22, 30, 36

氷河期 .......................................43, 55, 62, 87

へピリジン ..................................................... 39
ピリミジン...................................... 39, 68, 69
ピルビン酸..........................56, 57, 59, 60, 61
ピロール ............................................... 39, 64
火を熾す ..................................................... 79
頻度因子 ..................................................... 26

平衡状態............................................... 26, 34
平衡定数..................................................... 26
平衡反応................................... 32, 42, 53, 57
平面構造................................... 39, 42, 68, 69
Hess ........................................................... 84
ヘミン .................................................. 65, 66

95

ヘリウム .......................20, 22, 30, 79, 82, 86
変性嫌気性.................................................. 47
ベンゼン ...................................39, 44, 48, 51

もMorse ......................................................... 11

ゆHenry ......................................................... 31
ヘンリー定数 .............................................. 31

融解熱 ........................................................ 38

ヘンリーの法則 .............................. 31, 32, 81

有機物 ........................................................ 53

ほ

融点 ............................................................ 37
誘電率 .......................................................... 7

Bohr ............................................................. 7
芳香族 ................................................... 48, 51

ユビキノール ........................... 59, 64, 65, 66
ユビキノン ................................................. 59

芳香族化合物 .............................................. 39

よ芳香族性 .............................39, 40, 41, 68, 69
芳香族複素環化合物 ....................... 39, 40, 41

陽イオン............................................... 31, 33

補酵素 ................................................... 60, 61

溶液 ...................................................... 33, 34

補色 ...................................................... 18, 50

溶解度 .................................................. 32, 33

Bosch .......................................................... 28

陽子 .............................................. 7, 9, 10, 14

炎... ....................................................... 57, 58

溶媒 ............................................................ 75

ポルフィリン ........................................ 65, 66

葉緑素 . 42, 43, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 55, 60,

ホルムアルデヒド ........................... 51, 54, 55

ま71, 73
四日市喘息 ................................................. 77
四行思想....................................................... 9マイクロ波.................................................. 40

四大元素説 ........................................... 4, 5, 7

Maxwell ..................................................... 23

らみ
藍藻類 .. 42, 43, 45, 47, 50, 55, 62, 63, 87, 89
水の惑星 ......................................... 30, 79, 86

り

三宅島 ................................................... 76, 78

む

Lyman ....................................................... 16
理想気体定数 ....................................... 13, 36

村岡和幸 ..................................................... 40

め
冥王代 ... 2, 25, 27, 28, 29, 30, 41, 42, 47, 82,
87
メタン . 13, 21, 22, 23, 30, 47, 51, 54, 74, 75,
76, 84, 87, 88, 89
メタン生成菌 .................................. 47, 87, 89

理想気体の状態方程式 ......................... 13, 36
リボース............................. 67, 68, 70, 71, 72
リボヌクレオシド .......................... 67, 68, 70
硫化水素..................................................... 76
硫酸 ...................................................... 77, 78
Rydberg ..................................................... 15
量子力学............................................. 7, 8, 14Менделе́ев ................................... 896

れ連鎖反応............................................... 20, 40

励起状態 ..................................................... 44
Lenard........................................................ 34
錬金術 ........................................................... 7

ろRothemund ............................................... 6497