生活に関わり深いを化学する
水を
Ver.1.0.0

鹿島

長次(2011.10)

目次
1.

まえがき .................................................................................................................. 3
水を制するものが天下を制す.......................................................................................... 3
三水(氵)の付く常用漢字は 111 字.................................................................................... 62.

くの字型に酸素と水素の結合した水分子 ................................................................. 9電荷を持つ微粒子からなる原子には電荷なし................................................................. 9
同位元素は重さだけが異なる原子................................................................................. 12
電子を受け取れば陰イオン、失えば陽イオン............................................................... 14結合により安定化する原子 ........................................................................................... 17
共有結合はイオン結合性を兼ね備えている .................................................................. 20
33％イオン結合性を持つ水の結合 ................................................................................ 23

3.

太陽に照らされて「地球は青かった」 .................................................................. 27
波長の長さで変わる光エネルギーの大きさ .................................................................. 27
紺碧に見える深水の水も掬えば無色透明 ...................................................................... 30
赤外線で調べる宇宙の水の存在 .................................................................................... 32
水を元気に躍らせて「チ〜ンしましょう」 .................................................................. 35

4.

水は一風変わった液体 ........................................................................................... 37
物質の持つエネルギーは 2 種類 .................................................................................... 37
物質の状態を左右する分子間力と運動エネルギー........................................................ 38
水は凍り難く蒸発し難い液体........................................................................................ 41
凍らせたまま煮詰めてつくるインスタントコーヒー .................................................... 44
暖め難く冷め難い水 ...................................................................................................... 46
分子の絡み合いで大きな粘性と表面張力 ...................................................................... 48
0℃では凍らない海の水................................................................................................. 51

5.

水と油.................................................................................................................... 55
化学反応は恋愛ゲームの如し........................................................................................ 55
天秤のように鋭敏に傾く系の平衡................................................................................. 56
水の中での物質の挙動................................................................................................... 58
酸と塩基は水素陽イオンを出すものと受け取るもの .................................................... 62
酸にも塩基にもなる水................................................................................................... 66
仲の悪い水と油 ............................................................................................................. 67
油の仲間を水の仲間にする石鹸 .................................................................................... 701水と油の間のまとめ役................................................................................................... 73
溶媒だけ通す半透膜 ...................................................................................................... 76
6.

多くの偶然の上に生まれた水の惑星 ...................................................................... 78
地球から逃げ去った小さな分子 .................................................................................... 78
二酸化炭素の固定化を援ける水 .................................................................................... 81
水に支配される地球の気候と自然................................................................................. 85
生物の誕生は海の中で................................................................................................... 86
細胞は界面活性剤でできたフラスコ ............................................................................. 88
水の分解で作られるブドウ糖........................................................................................ 91
生物の活力はブドウ糖が持つ化学エネルギー............................................................... 93
牛を食べると豚になる................................................................................................... 96
水に溶け難い油を溶かす水 ........................................................................................... 99
カルシウム濃度で変わる水の硬さ............................................................................... 101

7.

高が水、然れど水 ................................................................................................ 104
くの字型の分子が網目状に絡み合った水 .................................................................... 104
あらゆる自然現象や日常生活に関わる水 .................................................................... 105

索引 ............................................................................................................................. 108

2

1.

まえがき

水を制するものが天下を制す
地球は赤道上の半径が 6380km、表面積 5.10x108km2 の若干つぶれた球状の天体ですが、その 70.8％が海に被われています。水は良く知られているように 0℃で氷になり、100℃で水蒸気に状態の変化する物質ですから、水温が 0℃よりもはるかに下がれば地球は凍り付
いて液体がなくなりますし、100℃を大きく超えれば液体のない砂漠のようになります。しかも、これらの状態の変化には大きなエネルギーの移動を要しますから、気温が 0℃〜100℃の範囲を外れることはありません。そのために地球の気候は温暖で、生物にとって極めて適した環境となっています。
このような温暖な気候の地球上に生物が誕生したのは約 38 億年前でしたが、地表がこのようにほとんど海に被われていますから、その後 33 億年間にわたり生物
は海中だけに棲息していました。そのため、生物の身体の約 70%は海水のような成分の水で構成されています
が、生物が約 5 億年前から徐々に上陸するようになっても、その生物の身体の組織は海中に棲息していた時代のものからあまり変化していません。実際、陸上に棲息する哺乳動物などの生物の身体を構成する物質においても海水のような成分の水が約 70%を占めています。極めて乾燥していて水の少ない砂漠に棲息する駱駝やサボテンでも、体内に大きな水がめのような組織を持っていますから、身体を占める水の割合はほとんど異なりません。
人間も哺乳動物の一種ですから、身体の成分の約70％が水で占められており、液体の水を細胞膜と呼ばれる膜で包んだ組織になっています。成人は 1 日に尿や便などで約 1.5L の水を排泄し、約 1Lの水を皮膚や肺から蒸発させていますから、合計 2.5L の水を毎日補給しなければ体内の水分量が減少して脱水症などを発症し、生命を維持することが出来ません。さらに、洗面や入浴の他に食べ物や食器や衣類を清潔にするための生活用水を必要とします。そのために、現代では図 1−1 に示すように水道の蛇口を捻るだけで水が常時利用できるような水道が完備されるようになっていますが、水の無いところには人間は生活することが出来ません。
幸い日本国内の降水量は気象庁の観測では最も少ない北海道網走で年平均 840mｍ、最も多い和歌山県尾鷲で 4100mm です。日本中どこでも多くの雨が降りますから、人間が通常生活するうえで充分な水が天から供給されています。しかし、サハラ砂漠から北東アフ
リカの地域やアラビア半島やパキスタンやアンデス山脈の山中やゴビ砂漠などでは年間降3水量が 100ｍｍに満たない地域もあります。特にツタンカーメン王が祀られていたことで有名なエジプトの王家の谷の付近では年間に 1ｍｍにも満たない降水量しかありません。
日本のように水の供給に困らない地域では、人間は何も考えることなく当たり前のこととして十分な水を使って生活していますが、ほとんど降水量のない地域では、生命を維持するための水を得るためにいろいろと知恵を絞り、また争いをしなければならなかったと思われます。この生きるための努力が早くから文明を発達させる結果となったようで、降水量の少ない地域を流れる大河の畔にエジプト文明やインダス文明やマヤ文明や黄河文明が生まれたのではないかと考えられます。
文明が発達するに従い人間の必要とする水の量は増えてゆきますが、天から降ってくる
降水量は変化しませんから、人口の集約と共に水の不足が生じます。ローマの年間降水量は日本よりは若干少ない 730ｍｍほどですが、古代ローマ帝国の時代からローマの市内には多くの人が集まって大都市を形作っていましたから、充分な生活用水を得ることが出来ませんでした。そのために大規模な土木工事をして郊外から水道を引いていました。著者は 20 年ほど以前にエルサレムで催された学会に参加しましたが、その折にカイサリア国立公園で十字軍の造った水道の遺跡を観光しました。イスラエルの地中海沿岸は年間降水量が 530ｍｍしかありませんからローマ帝国の土木技術を持ち込む必要があったようで興味深いものでした。
また、著者はカンボジアのアンコー
ルワットを数年前に観光しましたが、そこに点在しているクメール文明の洗練された多くの遺跡に感動すると共に、ジャングルの中に繰り広げられている植物と人間のせめぎ合いの激しさに圧倒されました。この地域の年間降水量は1500mm ですが、その大部分が雨季に集中しており乾季には降水がほとんど認められませんから、図 1−2 に示すような水道の施設が併設されていました。雨季には有り余るほどの水に恵まれており、周囲にも多くの沼地が点在している
ジャングルですから、このような水道施設を眼にしたときに強い意外性を感じました。
徳川家康が江戸に政治の中心を移すと共に、江戸は人口が飛躍的に増加して大都市に成長しましたので生活用水が不足するようになりました。杉本苑子が小説の主人公に取り上げた庄右衛門と清右衛門の玉川兄弟は、江戸が最も栄えた元禄時代（17 世紀）に多摩川上流の羽村から江戸の四谷まで約 50ｋｍの長い水路を作り、水道として玉川上水を完成しました。明治維新の後も東京の人口は約 100 万人程度でしたから、玉川上水を改良して羽村

4で取水し淀橋に浄水場（現在の都庁の所在地）を作った程度で東京の水道は運営されていました。しかし、昭和の時代になると政治的にも経済的にも東京への中央集権が進みましたから、図 1−3 に示すように人口が急激に増加し、それに連れて東京の生活用水の量も増加しました。その結果 2008 年の 1 年間には、東京都水道局は 1.58x109ｍ3 の水を配水しました。これに対して東京都の面積が約 2190ｋｍ2、平均年間降水量が 1460ｍｍですから、島嶼部を除いて東京都内に降る雨の総量は 3.2ｘ109m3 と概算できます。このことは東京都に降る雨の半分以上を利用しなければ、東京の生活用水を賄うことは出来ない計算になります。しかし、梅雨や台風の季節に集中して降る雨は利用が困難ですし、降っても直ぐに蒸発する雨水も利用できませんから、降水量の 50％を利用することは不可能です。そのために、多摩川の上流に小河内ダムを造って多摩川水系の水を無駄なく完全に東京都の水道に供しましたが、需要に追い付かず荒川水系と利根川水系の水も加えて現在の東京の生活用水を賄っています。
ゴビ砂漠から黄海まで流れる黄河は中国の人々に豊かな恵みを与えてきましたが、しばしば洪水の大きな被害ももたらしてきましたので、黄河文明が発祥し発達してきましたが、その過程で歴代の中国の皇帝は黄河の流れを治めることが最も大切な仕事でした。また、
武田信玄は南アルプスや八ヶ岳を流域に持つ釜無川に信玄堤を築いて洪水の被害を減らすことができたために、武田の赤備えと呼ばれる強力な軍隊を備えることができました。そのため古くから「水を制するものが天下を制す」といわれてきました。このように水の不十分な地域に文明が発祥し、文明の発達と共に水の使用量が増加してきました。現在はまだほとんど塩分を含まない水だけを利用していますから、需要に対して生活用水の供給量はかなり逼迫しています。著者の子供の頃には水と空気は無限に存在し、無料で使える物
質と考えていましたが、水資源などという言葉が新聞を賑わすほどに水はいまや貴重な資源で有効に利用しなければならなくなっています。

12000000人

図1−3 東京の人口の変遷

8000000

4000000

0
1880

1920

1960

5

2000 年

三水(氵)の付く常用漢字は 111 字
黄河流域で生まれた黄河文明は意味を持つ表意文字の漢字を発明しましたが、その多くの漢字が日本に輸入され日本語を形作ってきました。しかし、その文字数は数万に及ぶために、情報処理などの点で複雑になり過ぎて利便性が悪い状態になっています。幸い日本
語では仮名文字と呼ばれる表音文字を併用していますから、実際的にはそれほどに多数の表意文字を必要としません。そこで現在、2136 字の漢字が常用漢字として日常生活で用いられていますが、この中で水と氷と尿と泉の他に、三水(氵)の付く漢字の汁、汚、汗、江、池、沖、汽、決、沈、沢、没、泳、沿、河、泣、況、治、沼、注、泥、波、泊、泌、沸、法、泡、油、海、活、洪、浄、洗、浅、染、津、洞、派、洋、消、浜、浮、浦、浸、浴、流、涙、浪、酒、液、涯、渇、渓、混、済、渋、淑、渉、深、清、淡、添、婆、涼、渦、温、減、湖、港、滋、湿、測、渡、湯、満、落、湾、滑、漢、源、溝、準、滞、滝、塗、漠、滅、溶、演、漁、漆、漸、漬、滴、漂、漫、漏、潟、潔、潤、澄、潜、潮、激、濁、
濃、薄、濯、藩、濫、瀨、藻の 111 字と共に雨、雪、雲、雰、電、雷、零、需、震、霊、儒、霜、霧、露の 14 字の雨冠の漢字が水に関係のある漢字として含まれています。これらの中には既に水とは関係した意味を失っている決、況、治、法、涯、済、淑、添、婆、漢、準、演、藩などの漢字も含まれていますが、大部分は未だに水と密接な関係の意味を持った漢字として用いられています。ちなみに、水と同じように地表を覆っている土に関係す
る土偏の漢字は 46 字しか含まれて居ませんから、如何に水が日常生活に密接に関わっているか分かります。
夕暮から就寝までの我が家の日常的な行動を振り返ってみますと、お米を水で研ぎ、同量の水を加えてご飯に炊き上げます。レタスやセロリや胡瓜などの野菜は水で洗って刻みサラダ皿に盛り付けます。豚の薄切りに生姜と醤油と酒を加えて味を付けて、フライパンに油を引いて焼きますと豚の生姜焼きになります。鰹出汁の入った汁に豆腐を入れ醤油と塩で味を調えて澄まし汁を作ります。沢庵漬けを二切れ付けて夕食の用意完了です。食器を洗い、食卓を拭き清めて夕食の後片付けの終了です。食後は熱いお湯で淹れた番茶を飲みながらテレビをのんびりと見ます。お腹が落ち着いた所でお風呂にお湯をためて入浴し、その日の疲れを取ります。カミさんはその日の汚れの付いた下着や靴下を洗剤と共に洗濯機に入れて水を注いで洗濯します。寝る前に口を漱いでトイレで尿を排泄して、一日の活動が終わります。多少の語呂合わせもありますが、このわずか数時間ほどの間の行動を記述するために、三水(氵)の付く漢字が多く用いられていることからも、極めて多くの行動で水の関与していることを暗示しています。しかも、この間に調理に 20L、食事の後片付けに 10L、洗濯に 50L、入浴に 120L、トイレの水洗に 20L ほどの水を使用していると見積もることができます。実際、我が家では約 15ｍ3 の水道水に相当する水道料金を毎月支払っています。
1 つの家庭を見てもこのように多くのことに水が関与し、大量の水が生活用水として消

6

600
使用量
（108ｍ3）500

図1−4 日本の水資源利用状況（1年間1人当たり）

400
生活用水
工業用水

300

農業用水
200

100

0
1975

1980

1985

1990

1995

年 2000

費されています。東京都水道局の総配水量 1.58x109m3 を東京都の総人口 1.26x107 人で消費しているのですから、東京の住人が 1 年間に 1 人当たり約 125m3 の水を消費していることになりますが、世界の人は 1 年間に 1 人当たり約 63.5m3 の生活用水しか消費していません。
このほかに日本人全体としては 1 年間に 1 人当たり食糧を生産するための農業用水に約 450
ｍ3、鉱工業に用いられる工業用水に 128ｍ3 が用いられています。日本人は便利で贅沢な文明生活を享受していますから、炊事や洗濯や水洗トイレや入浴や洗顔などに大量の水を必要以上に消費しています。国土交通省が報告している「日本の水資源白書」によれば、図 1−4 に示すように 1975 年の水資源の利用量に比較してその後の 25 年間に、農業用水の増加量はわずかに 2％とほとんど変化がありませんが、生活用水は 43％も増加しています。
これに対してこの 25 年間に回収して再利用する技術が進歩したために、工業用水は 19％も節約するようになっています。このため日本人が利用する水資源の総量は 3％の増加に留まっています。
日本は比較的降雨量の多い地域ですから、現在までに水資源が危機的に不足する事態には至っていませんが、日常生活が贅沢になれば生活用水の使用量も増加しますし、鉱工業が発展し拡大すれば工業用水も増加します。さらに、世界の人口の増加に伴う食糧不足に対する食糧増産のためには多くの農業用水が必要になると思われます。しかし世界の降水量が大きく変化することは考えられませんから、水資源の節約か、無限に存在する海水の水資源への有効利用を考えなければなりません。そのためには地球を覆っていて身の回りの何処にも当たり前に存在している水の性質を改めて見直すことが肝要と思われます。
地球上に大量に存在する水は極めて簡単な構造の化学物質ですから、本書では水の性質
を化学の知識を織り交ぜながら調べて、日常生活を取り巻く種々の物質や現象や利用法な
どを水の性質と関連させて、独善的に見てゆこうと思います。さらに、地球が水の天体で

7

あり、水が地球上の天然自然の現象に大きく影響を与えていることや生物が水なくしては誕生も進化もありえないことも水の性質を通して化学的に考えてみたいと思っています。
日常生活を取り巻く水が簡単な分子でありながら極めて特異な性質を持つ化学物質で、その水の性質を改めて考え直すことで、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、逆に水に関する化学的な技術や知識が日常生活を豊かにする新たな水資源の有効利用の技術や知識を生み出す助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

8

2.

くの字型に酸素と水素の結合した水分子

電荷を持つ微粒子からなる原子には電荷なし
地球上の全ての物質は約 90 種の元素で構成されていますが、それらの元素は電子と中性子と陽子の 3 種の微粒子が組み合わされて出来ています。質量の小さな電子は 9.1 x 10−31
kg で負電荷を帯びていますが、その電子の 1839 倍の質量を持つ中性子は電気的に中性で、電子の 1836 倍の質量を持つ陽子は正電荷を帯びています。電子の質量が陽子や中性子と比較して無視しうるほどに小さく、陽子と中性子は強く結び付いて原子核を構成しています。
Bohr はこのような重くて小さな原子核と軽くて大きな電子の存在する領域を持つ原子の構
造が太陽とその周囲を惑星が周回している太陽系に類似する点が多くあることに着目して原子の構造を説明しました。そこで、比較のためにそれらの半径や質量や形状を表 2−1 に掲げておきます。太陽系では太陽の半径に対して約 6400 倍の半径の空間に、太陽の質量に比べて 0.1〜0.00002％程度の質量を持つ 8 個の惑星が同一平面の軌道上を周回していますが、酸素原子では原子核の半径に対して約 16000 倍の半径の球状の空間に 0.028％の質量を持つ
軽い電子が 8 個分布しています。太陽系と同じように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。
太陽系では太陽と惑星の間には万有引力

表 2−1 太陽系と酸素原子の比較が働いて惑星は太陽に結び付けられています

太陽系

酸素原子

中心部（ｍ）

7.0ｘ1081.0ｘ10-14

外側部（ｍ）

4.5ｘ1012

1.6ｘ10-10

6400

16000

中心部（kg）

2.0ｘ1030

3.3ｘ10-26

外側部（kg）

2.7ｘ1027

9.1ｘ10-30

中心部と外側部の比0.00140.00028

外側部の軌道の形状

円盤状

球状

中心部と外側部の間の力

万有引力

静電引力

から、太陽系の天体の運動は Newton の力学

半径で合理的に説明できま

中心部と外側部の比す。これに対して、Bohrは原子核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
で原子核に電子が結び付けられている原子模質量型を考えました。
Coulomb によると距離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エネルギーＥij は真空中の誘電率をε0 とするときに式 2−1 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引き合っ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9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、Schrodinger
や Einstein 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 2−2 に示す半径ｒｎの軌道に式 2−3 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は電子の質量、ｅは電子の電荷を意味する定数です。また、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ｒもエネ
ルギーＥｎも不連続に段階的に変化します。

E ij = −Qi Q j4πε 0 rij

式 2−1

ε 0h2 n2⋅rn =πme 2 z式 2−2

me 4 z 2
En = − 2 2 ⋅ 2
8ε 0 h n式 2−3

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とエネルギーは式 2−2 と式 2−3 で表されますから、主量子数の小さな順に不連続に段階的に原子核に近い半径の小さな内側の軌道から 7 段階におおよそ順番に詰まっていきます。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。しかし、遷移金属元素の性質にも個性がありますから、これらの元素は一10表 2−2 周期表

族

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

2

H

He

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

1

2

3

4

5

6

7

8

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

1

2

3

4

5

6

7

8

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

3

4

5

6

7

8

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

1

2

2

2

1

1

2

1

1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

55

56

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Cs

Ba

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

1

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8

87

88

104

105

106

107

108

109

Fr

Ra

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

陽子数

1

2

2

2

2

2

2

2

元素記号

*1

*2

外郭電子数

*1

*2

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

La

Ce

Pr

Bd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Eｒ

Tm

Yb

Lu

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm Md

No

Lr

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

11

2

括してしまうことが不適当と思われました。そのために、現在では化学の研究に表 2−2に示すような周期表が使われおり、陽子数、元素記号および最も外側に分布する電子の数を示しておきます。ここでは典型金属を淡赤色、遷移金属元素を褐色、非金属元素を黄色、希ガス元素を緑色であらわしました。さらにランタニド金属元素を赤褐色、アクチニド金
属元素を赤色であらわしました。このように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。特に最も外側の軌道の形で原子の形と大きさがきまり、その最外殻電子の数と元素の性質の間に相関関係が見られます。

同位元素は重さだけが異なる原子
原子は質量が格段に大きい陽子と中性子が結びついて原子核を形成し、その周囲に電子が分布する形で原子が出来ています。電子の質量が陽子や中性子と比較して無視しうるほどに小さいために、種々の原子を構成している陽子の数と中性子の数の和を原子の質量数といいますが、原子の性質は原子核の周囲に広く分布する電子の数に大きく影響を受けています。
そのため、質量数が異なる原子でも、陽子の数が同じであれば原子の性質が非常に似ていま
すから、これらを元素といいます。また、同じ元素でも質量数の異なる原子がいろいろとありますので、これを互いに同位元素と呼んでいます。化学者は陽子数の異なる原子にそれぞれアルファベットの 1〜2 文字の記号を割り当て、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まで表すようにしています。たとえば、水素原子は陽子と電子が 1 つ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。
水素陽イオンは水素原子から 1 つの電子が失われたものですから、陽子だけとなります。
そのため水素陽イオンと陽子は全く同じものです。ヘリウム原子（4He）は陽子 2、中性子 2、電子 2 で出来ています。他にも陽子、中性子、電子の数の異なる原子が無限に考えられます
が、陽子と中性子を結び付けている力が相対的に弱くなり原子核が壊れて分解し易くなるため、安定な元素は陽子の数が 83 以下に限られており、陽子の数が 84 以上の元素では不安定
で、如何なる環境でも放射能を出しながら一定の寿命を持って徐々に壊れてゆきます。一般に不安定な原子の寿命は半分が壊れてゆくために要する時間（半減期）で表し、半減期の10 倍の時間では(0.5)10 まで減少しますから、この値を計算すると約 0.1％しか残らないことになり、ほとんど壊れてしまいます。自然に存在する最も陽子数の大きな元素はウランですが、この元素の中で半減期の最も長い同位元素でも 10 億年です。さらに陽子数が 93 以上の全ての元素は極めて寿命が短く、例えどこかで生成したとしても、きわめて短い年月で全て消滅してしまいます。このことから地球上で性質を知ることの出来る陽子の数の違う元素は
90 種類に限られています。また、自然界に存在する元素の陽子と中性子の数の割合は図 2−1 に示すように 1〜1.5 の範囲で一定しており、陽子に対して中性子の割合がこの範囲から大きく外れた原子も不安定で分解します。
原子核は質量が格段に大きい陽子と中性子により形成されていますが、これらの陽子や

12

中性子数
120

80

40

0
0

20

40

60

陽子数

80

図 2−1 天然安定同位元素の陽子数と中性子数の割合
中性子を緊密に結び付けるためには非常に大きな力を必要とします。当然、このような原子核が壊れて分解するときには、壊れた破片と共に今まで陽子や中性子を結び付けていた大きな力がエネルギーとして放出されます。この原子核の分解は主にα壊変とβ壊変とγ壊変と核分裂の 4 種類の型に分類することが出来ます。α壊変は高いエネルギーを持つヘリウム原子が破片となって放射されますが、このとき原子核の中の 2 個の中性子と共に陽子が 2 個減りますから、ウラン（238U）からトリウム（234Th）へのように原子番号が 2 減り原子の種類も変わりますが同時に質量数も 4 減少します。β壊変は原子核から電子を放射し、中性子が1 個減り陽子が 1 個増えますから、トリウム（234Th）からプロトアクチニウム（234Pa）へのように原子番号が 1 増えて原子の種類が変わりますが質量数は変化しません。γ壊変は原子核の中に残った歪みや余分のエネルギーを波長の極めて短い電磁波として放射する変化で、陽子の数も中性子の数も変化しませんから、原子の種類も質量数も変わりません。
核分裂は地球上では自発的には全く起こらない変化ですが、高いエネルギーを持つ中性子が衝突する時に原子核がバラバラに小さな破片の原子や陽子や中性子に壊れる変化で、大きなエネルギーを同時に放出します。比較的不安定な原子核に人為的に中性子を衝突させますとこの核分裂が起こりますが、同時に破片として放出する高いエネルギーを持った中性子が近くに存在する原子核に衝突して次の核分裂を起こします。結局不安定な原子核を持つ原子がすべて核分裂するまで連鎖的に続きますから、膨大なエネルギーを放出することになります。このような不安定な原子核を持つ原子を爆弾に詰めて、中性子を発生させる誘発装置
を付ければ原子爆弾の完成です。1945 年 8 月に広島に投下された原子爆弾は質量数 235 のウラン（235U）に中性子発生装置を付けたものでしたが、質量数 235 の同位元素（235U）はウランの中には極少量しか含まれず、質量数 238 の同位元素（238U）が大部分を占めていま13

す。しかし、同位元素は最外殻電子の軌道も数も同じですから、化学的に極めて類似した性質を持っており、質量数が 235 と 238 のウランのような同位元素の分離には高い分離技術を要します。

電子を受け取れば陰イオン、失えば陽イオン
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。電子は負電荷を持つ微粒子ですから、原子から電子が失われれば全体として正電荷を帯びた陽イオンになりま
すし、原子に電子が取り込まれれば全体として負電荷を帯びた陰イオンになります。原子が集合した分子においてもそれぞれの原子には陽子と同じ数の電子が存在していますから、分子全体では電荷を持っていませんが、分子から電子が失われた時には分子は部分的ある
いは全体的に正電荷を帯びますので、このようなものも陽イオンと呼びます。逆に分子に電子が取り込まれる時には分子が負電荷を帯びますので陰イオンと呼んでいます。
原子核に捉われている各電子はそれぞれ主量子数ｎと陽子数ｚを変数とする式 2−3 で定義されるエネルギーEn を持っていますから、このエネルギーEn を電子に与えれば原子核からのしがらみを断ち切って電子は無限の彼方に飛び去ってゆきます。主量子数ｎの小さな内側の軌道の電子は原子核に強く引き付けられており、主量子数ｎの大きな外側の軌道の電子は弱い力で結び付けられています。そのために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。当然、最も外側の主量子数の軌道に分布する最外殻電子は小さなエネルギーで原子から引き離されてしまい、1 価の陽イオンとして正電荷を帯びてきます。さらに、大きなエネルギーを与えますと、この 1 価の陽イオンも電子を放出して 2 価の陽イオンになります。原子や陽イオ
ンから電子を引き離すために要するこのエネルギーEn はイオン化エネルギーといい、種々の元素のイオン化エネルギーを表 2−3 に掲げておきますが、この値が小さいほど原子やイオンは電子を放出し易すいことを意味します。表 2−3 に示すようにアルカリ金属元素のLi と Na と K と Rb は最外殻電子を 1 個しか持たず、同じ主量子数の元素としては Z の値が最も小さいために小さなイオン化エネルギーを示しますから、1 価の陽イオンになり易いことが分かります。しかし、アルカリ金属元素の 1 価陽イオンはその主量子数の軌道の電子を既に持っていませんから、2 個目の電子を放出して 2 価陽イオンになるためには、
主量子数の小さな内殻軌道から電子を放出しなければならず、大きなエネルギーEn を要します。同様に、Mg や Ca や Sr などのアルカリ土類金属元素と Al や Ga などの土類金属元
素は外殻電子を容易に放出して、それぞれ 2 価陽イオンと 3 価陽イオンになりますが、さらに多くの電子を放出するためには内殻電子の放出による大きなイオン化エネルギーEn を要します。
原子から最外殻電子を引き離して陽イオンになるときにはイオン化エネルギーを要しますから、逆に陽イオンが外から電子を受け取って元素に戻るときにはイオン化エネルギ

14表 2−3 主な金属元素のイオン化エネルギーEn (kcal/mol)

原子番号

元素

最外殻電子
主量子数

電子数

M→M+

M+→M2+

M2+→M3+

1

H

1

1

319

3

Li

2

1

127

1769

2863

4

Be

2

2

219

426

3597

11

Na

3

1

121

1106

1661

12

Mg

3

2

180

352

1873

13

Al

3

3

141

440

665

19

K

4

1

102

744

1092

20

Ca

4

2

144

278

1197

21

Sc

4

2

154

301

579

22

Ti

4

2

160

319

648

23

V

4

2

158

345

695

24

Cr

4

1

159

390

728

25

Mn

4

2

175

369

752

26

Fe

4

2

185

388

744

27

Co

4

2

185

406

793

28

Ni

4

2

179

426

844

29

Cu

4

1

181

475

891

30

Zn

4

2

221

420

940

31

Ga

4

3

141

444

718

37

Rb

5

1

98

643

1104

38

Sr

5

2

134

258

1010

ーに相当するエネルギーを放出します。同じように原子が外から電子を受け取りますと陽子の数よりも電子の数が多くなりますから負電荷を持つ陰イオンになり、そのとき式 2−3に相当する電子親和力と呼ばれるエネルギーを放出します。種々の元素の電子親和力を表
2−4 に掲げて起きますが、この値が大きいほど放出するエネルギーが大きいので陰イオンになり易すい性質を持っています。式 2−3 から明らかなように、主量子数が小さな原子ほど放出するエネルギーが大きくなりますから、より陰イオンになり易い傾向を示します。
アルカリ金属は同じ主量子数を持つ元素の中では最も陽子の数が少ないので放出するエネ
ルギーが小さく、陰イオンになり難い性質を示します。

15

表 2−4 元素の電子親和力 (kcal/mol)

元素

電子親和力

元素

電子親和力

H

0.0

P

17.7

He

0.0

S

48.0

Li

14.3

Cl

83.1

Be

-57.6

Ar

-8.4

B

5.5

K

11.5

C

29.4

Ca

-37.3

N

0.0

Ga

8.6

O

33.7

Ge

27.7

F

78.4

As

18.4

Ne

-6.9

Se

46.6

Na

12.7

Br

77.4

Mg

-55.4

Kr

-9.3

Al

11.9

Rb

11.0

Si

28.7

I

70.5

最外殻電子を 7 個持つ F や Cl や Br や I などのハロゲン元素は同じ主量子数を持つ元素のなかで陽子数ｚが大きいために大きなエネルギーを放出しますが、陰イオンの最外殻軌
道の許容量を満たしますから、新たに外から電子を受け取る場合には主量子数が増加してしまい、電子親和力が負の値を示します。このことは希ガス元素が陰イオンになるためには逆にエネルギーを要しますから、ほとんど陰イオンにならないことを意味しています。
このように同じ主量子数を持つ元素では陽子数が小さく最外殻電子の数が少ない元素では
イオン化エネルギーも電子親和力も小さいので、陽イオンになり易い性質を示します。また、陽子数が大きく最外殻電子の数が多い原子ではイオン化エネルギーも電子親和性も大きいので、陰イオンになり易い性質を示します。さらに、希ガス元素ではイオン化エネル
ギーが極端に大きく、電子親和力が負の値を示しますから、陽イオンにも陰イオンにもなりません。
まとめると、原子のイオンへのなり易さは中心の原子核ではなく、主に周囲に広く分布する電子の状態に影響されます。特に最外殻電子の数が元素の性質を決定付けますから、Менделе́ев（メンデレーフ）が見出した元素の性質と最外殻電子の数の相関性から導いた表
2−2 の周期表が合理的に説明できます。
このように原子がエネルギーを受け取って電子を放出しますと陽イオンが生成し、エネルギーを放出して電子を受け取りますと陰イオンが生成します。ここで生成する陽イオンと陰イオンはそれぞれ正電荷と負電荷を帯びていますから、式 2−1 に示すような静電的な
16引力が働き互いに近付いて結び付けられます。このように陽イオンと陰イオンが静電的な引力で物質を形作る結び付きをイオン結合と呼んでいます。アルカリ金属元素は小さなイ
オン化エネルギーを示しますから、1 価の陽イオンになり易く、ハロゲン元素は大きな電子親和力と呼ばれるエネルギーを放出しますから、1 価の陰イオンになり易い性質を示します。このアルカリ金属元素とハロゲン元素の間では容易に電子とエネルギーの遣り取りが行われますから、それぞれ陽イオンと陰イオンになり互いに静電的な引力により引き合ってイオン結合による食塩や臭化カリウムなどの結晶を形作ります。

結合により安定化する原子
原子の中心に座る原子核は正電荷を帯び、周囲を動き回る電子は負電荷を帯びていますから、2 つの原子が接近するときには、一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用して引力が働きますから、電子は両方の原子核に引き付けられるような力を受けます。他方、2 つの原子の原子核が接近すれば、当然、静電的な斥力が働きます。
しかし原子同士の間でも電子は極めて高速で運動していますから、原子の相互作用も量子力学で考えなければなりません。原子の最外殻電子を含む軌道が互いに相互作用をしますと、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 つを生じます。
すでに 2 個の電子で充足されている軌道同士が相互作用しますと、不安定な軌道と安定な軌道の両軌道に電子が充足しますから、全体としてエネルギーの安定化が起こらず 2 つの原子は互いに結び付くこともなく結合を形成しません。2 つの原子がそれぞれ 1 個しか電子の入っていない軌道を持つときには、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状態ですから、この軌道には電子が充足しません。原子間に同時に生じるエネルギー的に安定な軌道に両原子に属する 1 個ずつの電子が移動するために、軌道の相互作用によりエネルギーの安定な状態になり原子は共有結合と呼ばれる結合を形成します。また、2 個の電子で充足した軌道と電子の入っていない軌道が相互作用するときにも、2 個の電子を安定な軌道に移動させて配位結合と呼ばれる結合をします。
原子を結び付ける基礎となる静電的な相互作用は式 2−1 に示すように距離に反比例しますから、原子が互いに接近すれば引力も斥力も大きくなりますが、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 が 2 つの原子が接近するときのこのような静電的な引力と斥力の関係を近似していますので、その関係式に基づいて計算した酸素原子と水素原子の間に働く引力と斥力の大きさを図 2−2 に示します。図の黄緑色の線で示す
ように原子間の距離が小さくなるほど次第に原子核と電子の間に働く引力が大きくなり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の間に働く斥力は急激に増加し不安定になります。この引力と斥力が同時に働いて打

17

300
kcal/mol

図2−2 酸素−水素間距離と結合エネルギー
200

100

0

-100

原子核同士の斥力
原子核と電子の引力
原子間に働くの相互作用

-200

-300
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

nm

0.6

ち消しあいますから、図の赤色の線で示すようにある原子間距離において最もエネルギー的に安定になります。結果として、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、2 つの原子はこのような原子間距離を保って安定化します。
2 つの原子が相互作用を起こすことによって最も安定化した状態までのエネルギーの大きさを結合エネルギーと呼び、そのときの原子間距離を結合距離と呼んでおり、種々の原子間の結合の平均的な結合距離 R と結合エネルギーE を表 2−5 にまとめました。大きな結合エネルギーを持つ結合では大きなエネルギーの安定化を生じますから、結合を構成する原子が強く結ばれていますし、小さな結合エネルギーを持つ結合は容易に開裂して分解してゆきます。これらの結合は電子を挟んで 2 個の原子が静電的に引き合う力ですから、
一般的には互いの距離が小さければそれだけ大きな結合エネルギーを示します。
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 個ずつが相互作用する単結合、2 個ずつの軌道が相互作用する 2 重結合、3 個ずつが相互作用する 3 重結合の 3 種類があります。単結合では図 2−
3(A)のように結合軸の上で相互作用してσ結合と呼ば

C

C

C

C

Ａ

C

Ｂ

σ結合

れる結合を形成します。2重結合では 1 個ずつの軌道が結合軸上で相互作用するCC

σ結合を作っていますが、残りの 1 個ずつの軌道は軸

C
π結合

図2−3
18

Ｃ−Ｃ単結合とＣ＝Ｃ2重結合

上ではなく直交軸上に存在します。この直交軸上の軌道は図 2−3(B)の褐色に示すように側面で相互作用し、これをπ結合と呼んでいます。3 重結合は 3 個ずつの軌道のうち、1 個ずつの軌道の結合軸上で相互作用するσ結合と残りの 2 個ずつの軌道で作られる 2 本のπ結合からできています。2 重結合に関与しているπ結合が関与しなくなって単結合に変化するときには、2 重結合の結合エネルギーから単結合のエネルギーに安定化エネルギーが減少します。この 2 重結合と単結合の結合エネルギーの差はπ結合の結合エネルギーと考えることが出来ます。炭素＝炭素 2 重結合の平均的な結合エネルギーが 146 kcal/mol、炭素−
炭素単結合が平均的に 83kcal/mol ですから、炭素＝炭素 2 重結合のうちでπ結合の結合エ
表 2−5 共有結合の結合距離(R､nm)と結合エネルギー(E､kcal/mol)

結合

化合物

Ｒ

Ｅ

結合

化合物

Ｒ

Ｅ

C-H

CH3▬H

0.109

104

C-O

CH3▬OH

0.143

91

C-H

C2H5▬H

0.111

98

C-O

C6H5▬OH

0.136

112

C-H

C6H5▬H

0.108

112

C-O

CH3O▬CH3

0.143

80

C-H

HOCH2▬H

0.110

92

C-H

CH3CO▬H

0.109

86

C-H

C6H5CO▬H

N-H

NH2▬H

0.101

94

N-H

CH3NH▬H

0.101

92

C=O

OC〓O

N-H

C6H5NH▬H

80

C-N

CH3▬NH2

0.147

79

O-H

HO▬H

0.096

119

C-N

C6H5▬NH2

0.143

100

O-H

CH3O▬H

0.096

102

C-F

CH3▬F

O-H

CH3COO▬H

112

C-Cl

CH3▬Cl

0.178

84

C-C

CH3▬CH3

0.154

88

C-Cl

CCl3▬Cl

0.177

73

C-C

CH2=CH▬CH=CH2

0.146

112

C-Br

CH3▬Br

0.193

70

C-C

C6H5▬CH3

0.153

100

C-I

CH3▬I

0.214

56

138

N-N

H2N▬NH2

59

HN〓NH

100

（π結合）

41

C-C
C=C
C≡C
C=C

C6H6
（π結合）
CH2〓CH2
（π結合）
CH≡CH
（π結合）
CH2〓CHCH〓CH2
（π結合）

74

0.139
0.134
0.120
0.135

55
83
74
72
54
100
66

C=O
C=O

N=N
N≡N
O-O
O=O

19

CH3CH〓O（π結合）（CH3）2C〓O
（π結合）

N2
（π結合）
HO▬OH
O2
（π結合）

0.122
0.123

81
85
80
88
128

108

0.110
0.148
0.121

113
63
50
119
69

ネルギーは約 63 kcal/mol と見積もることができ、σ結合の 83 kcal/mol よりはかなり小さな値と考えられます。
このように 2 個の原子が近付いて互いに相互作用するときに、2 個の原子の間に電子を挟んで静電的な引力が働き、共有結合あるいは配位結合します。この結合では陽イオンにも陰イオンにもイオン化することなく 2 個の原子が結合しますから、水素分子や窒素分子
や酸素分子や炭素―炭素結合などのように同じ種類の原子同士でも結合することが出来ます。

共有結合はイオン結合性を兼ね備えている
前節で考えたように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すように陽子と同じ数の軽くて負電荷を持つ電子がその周囲に広く分布しています。2 つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が相互作用して静電的な引力が働きますから、電子は両方の原子核に引き付けられるような力を受けます。結果として 2 個の電子がそれぞれ静電的な引力により 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。このとき働く静電的な引力は式 2−1 に示されるように原子核と電子が持つそれぞれの電荷の積に比例し、原子核と電子の間の距離に反比例します。水素分子のように同じ原子同士が共有結合する場合には、原子核の正電荷も原子半径も同じですから、一方の原子の電子と他方の原子核の間に働く静電的な引力と一方の原子核と他方の原子の電子に働く静電的な引力は等しくなります。
そのため両者の原子核が電子を引き付ける力は等しく、原子間で電子の偏りは起こりません。
しかし、炭素−水素結合や炭素−酸素結合のように 2 つの異なる原子が共有結合する場合には、それぞれの原子核の正電荷も原子半径も異なりますから、一方の原子に属する電子と他方の原子核の間（Ａ）に働く静電的な引力と一方の原子核と他方の原子の電子に働く静電的な引力は当然異なってきます。そのため両者の原子
核が電子を引き付ける力にも差が生じて、原子間で電子の偏りが生まれます。2 つの異なる原子からなる塩化水素の場合には、（Ｂ）

結合に関与する 2 個の電子は若干塩素の原子核に引き付けられますから、塩素原子の近くに電子が偏ります。結果として、

図2‑4結合することにより水素原子は電子が若20

誘電分極の模式図

干減少して正電荷を帯び、わずかな陽イオンの性質を示すようになります。また、塩素原
子は電子が逆に増加して負電荷を帯びるようになります。これらの分子も気体や液体の状
態では自由に動き回れますから、分子はあらゆる方向に乱雑に向いていて図 2−4（Ａ）の模式図のように物質全体とし電荷の偏りを互いに打ち消します。
原子間に電子の偏りのない水素分子が正負の電位差のある電場の中に存在しても、分子の中に電荷の偏りがありませんから、水素分子は何の影響も受けません。しかし、原子間に電子の偏りのある塩化水素では、塩素原子が負の電荷を帯びるように分子には電荷の偏りがありますから、正負の電位差のある電場の中では塩化水素分子は塩素原子が正の電位の方向に、また水素原子が負の電位の方向に静電的な引力を受けて引き付けられます。そのため、図 2−4（Ｂ）の模式図のように自由に動き回ることのできる気体や液体の塩化水
素の分子は分子の重心を中心に回転して、電場を打ち消すように分子が整列します。塩化水素のように２つの異なる原子で構成されている二原子分子では同じように電子の偏りを持っていますが、その偏りの大きさはそれぞれ異なります。このような分子を電場の中に置きますと、電荷の偏りを持つ分子と電場の間には双極子モーメントと呼ばれる分子の重心を中心とする回転力が働きます。この双極子モーメントμは式 2−4 に示すように電荷の偏りの原因となる正負の電荷を持つ原子の間の距離ｒとそのそれぞれの電荷の大きさδ
に比例します。

µ = δ ⋅r

式 2−4

このように電場の影響を受けて分子の整列した状態から電位差を 0 にして電場の影響を取り去りますと、整列していた分子は乱雑な方向に列を乱してゆき、そのとき電気エネ
ルギーを放出します。電場の中に置いた物質が電場を取り去ることにより放出するこの電気エネルギーとその物質の中に含まれる分子の数から双極子モーメントを実験的に求めることができます。原子間距離ｒは X 線回折などの方法で別途実験的に求めることができま
すから、二原子分子上にある電荷の大きさが求められます。
例えば、塩素陰イオンと水素陽イオンがイオン結合で結ばれて塩化水素ができていると仮定すると、陽イオンでは電子 1 個に相当する正電荷が存在し、陰イオンの上には電子 1個に相当する負電荷が存在します。電子の電荷は 4.80x10− 10

esu と報告されていますから､イオン結合の場合の電荷の偏りは 4.80x10−10

表 2−6 ハロゲン化水素の双極子モーメントと電子の偏り

esu となります。

HF

HCl

HBr

HI

µ（x 10 esu･cm）

2.0

1.03

0.79

0.38

r（nm）

0.092

0.127

0.141

0.161

45

16.5

12

5

18

電子の偏り（％）

21しかし、塩化水素分子の双極子モーメントは 1.03ｘ10−18esu･cm と実測されていますし、水
素と塩素の原子間距離は 0.13nm（1.3x10−8cm）と報告されていますから、式 2−4 から原子上にある電荷の大きさは 7.19ｘ10−11esu と算出することができます。この電荷の大きさとイオン結合とで結ばれていると仮定した時の電荷の偏りの大きさとの比較から、塩化水素の結合は 83.5％の共有結合と 16.5％のイオン結合の混ざり合ったような性質を持っていると考えられます。言い換えれば、塩化水素分子の結合は塩素原子が 16.5％負の電荷を持ち水素原子が 16.5％正の電荷を持って共有結合していることを示しています。表 2−6 には
代表的な二原子分子のハロゲン化水素の双極子モーメントとその結合の電荷の偏りをまとめておきます。この表からも分かるように同じ系列のハロゲン化水素を比較しても、ハロゲン原子が異なると電子の偏りが大きく変化しますから、当然、化学的性質も異なります。
しかし、双極子モーメントを多くの物質について測定することは困難ですし、簡単な構造を持つ二原子分子は日常生活で広く利用されている物質の中では極めて限られています。
結合の上における電子の偏りは物質の性質や化学反応性に大きく影響を与えますが、その結合の電子の偏りを調べることは容易ではありません。
1

E + EB− B 2
χ A − χ B = ( E A− B − A− A
)
2

式 2−5

このような状況の下で、A と B の 2 種の原子間の結合エネルギーEA-B を基にして Pauling
表 2−7Pauling の電気陰性度

H
2.1
Li

Be

B

C

N

O

F

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Na

Mg

A1

Si

P

S

C1

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.5

3.0

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

0.8

1.0

1.3

1.5

1.6

1.6

1.5

1.8

1.8

1,8

1.9

1.6

1.6

1.8

2.0

2.4

2.8

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

1.9

2.2

2.2

2.2

1.9

1.7

1.7

1.8

1.9

2.1

2.5

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.2

2.2

2.2

2.4

1.9

1.8

1.8

1.9

2.0

2.2

Ir

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.3

22

は種々の物質の共有結合における電子の偏りを求める簡単な計算式を式 2−5 の形で提案しましたが、これは電気陰性度χと呼ばれる実験値で値が大きい原子ほど結合上の電子を引き付けます。結合は 2 種の原子の間の相対的な関係に基づきますが、値の大きな原子ほど陰イオンの性質を、値の小さな原子ほど陽イオンの性質を強く示します。例えば、水素
原子と塩素原子の電気陰性度χH とχCl はそれぞれ 2.1 と 3.0 ですから、塩化水素の結合が塩素原子に電子の偏りを持つことを示しており、先の双極子モーメントから求めた電子の偏りの傾向と一致しています。このように電気陰性度の値は化学を研究する上で便利に役に立っていますから、表 2−7 には現在広く用いられている電気陰性度の値を周期表に併せて掲げておきます。地球上に存在するほとんどの物質は種々の原子が多く集合した分子で構成されていますから、同種の原子間の結合ばかりでなく異種の原子間の結合でも結ばれています。それらの結合ではわずかながら電子の偏りが生まれ、共有結合とイオン結合の混ざり合った性質を示しています。

33％イオン結合性を持つ水の結合
水は地球上の至るところに存在し、極めて普遍性が高く生活に密着した物質ですから、
水については熟知していて明らかにするようなことが無いように思われますが、意外に特異的な挙動や性質があります。水の分子は水素 2 原子と酸素 1 原子で構成されている地球上に存在する分子としては 6 番目に小さな分子量 18 の極めて小さな分子ですが、水の氷点
は 0℃、沸騰点は 100℃ですから、地球上では主に液体の状態で存在します。中東などの油田で産出する石油は非常に大量に自然界に存在する液体ですが、そのような大量の石油も大型のタンカーを海に浮かべて運搬していますから、海の水の量に比べれば石油は微々たる量に過ぎません。水は地球上に普遍的にしかも圧倒的に大量に存在する液体です。そのために水の性質や挙動が液体の標準的な性質や挙動と考えがちですが、水以外の多くの液体と比較しますと水はかなり個性的で特異な液体と考えられます。
一般的に、物質は種々の原子が共有結合で結ばれていますから、塩化水素の結合が電子の偏りを持っているように、多くの物質を構成している結合には結合軸に沿った方向に多少の電荷の偏りを持っており、結合の双極子モーメントも方向性を持っています。しかし、多くの原子が集合した多原子分子中の原子の位置は 3 次元的な広がりを持っており、それぞれの結合も 3 次元的な方向を持っていますから、分子全体の双極子モーメントは各結合の双極子モーメントのベクトル和となります。当然、分子が自由に動き回ることのできる
気体や液体の状態では、このような多原子分子が正負の電位差のある電場の中に存在する
ときには、その分子の結合の双極子モーメントをベクトル和した分子双極子モーメントにより分子が整列してゆきます。表 2−8 には種々の分子の双極子モーメントを、また、結合モーメントと呼ばれる種々の結合の双極子モーメントを表 2−9 に掲げておきます。
メタン分子は 1 個の炭素原子に 4 個の水素原子が結合していますから、表 2−9 からも明らかなように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23表 2−8 種々の分子の双極子モーメント（x 1018 esu･cm）
物質名

化学式

双極子モーメント

物質名

化学式

双極子モーメント

ヘリウム

He

0

アンモニア

NH3

1.49

ネオン

Ne

0

メタン

CH4

0

アルゴン

Ar

0

四塩化炭素

CCl4

0

酸素

O2

0

フッ化メチル

CH3F

1.81

窒素

N2

0

塩化メチル

CH3Cl

1.87

水素

H2

0

臭化メチル

CH3Br

1.80

フッ化水素

HF

1.98

ヨウ化メチル

CH3I

1.64

塩化水素

HCl

1.03

アセトン

CH3COCH3

2.70

臭化水素

HBr

0.78

エタノール

CH3CH2OH

1.69

ヨウ化水素

HI

0.38

フェノール

C6H5OH

1.70

水

H2O

1.85

一酸化炭素

CO

0.10

硫化水素

H2S

0.95

二酸化炭素

CO2

0

極子モーメントを示しません。このことは値を持つ結合双極子モーメントがベクトル和す
ることにより打ち消されて分子双極子モーメントが 0 になっていることを意味しています。
1 個の中心と 4 点を結び、全体にベクトル和が 0 になるためには、正 3 角形で縁取られた
正 4 面体の重心に中心を置き、各頂点と結んだ構造でなければなりませんから、実際のメタン分子の構造は図 2−5 に示すようにな正 4 面体構造を採ると考えられています。
表 2−9 結合の双極子モーメント（esu･cm、結合モーメント）
結合

µ

結合

µ

結合

µ

結合

µ

H-P

0.36

D-O

1.52

N-O

0.3

C=C

0.0

0.38

H-F

1.94

N-F

0.17

C=N

0.9

H-C(sp )

0.30

C-C

0.0

P-I

0.0

C=O

2.3

H-S

0.68

C-N

0.22

P-Br

0.36

C=S

2.6

H-Br

0.78

C-O

0.74

PCl

0.81

N=O

2.0

H-Cl

1.08

C-S

0.9

As-Cl

1.64

C≡C

0.0

D-Cl

1.09

C-I

1.19

Sb-Cl

2.6

N≡C-

3.5

H-N

1.31

C-Br

1.38

S-Cl

0.7

C=N-

3.0

D-N

1.30

C-F

1.41

Cl-O

0.7

Li-C

1.4

H-O

1.51

C-Cl

1.46

Cl-F

0.88

Sn-Cl

>3.0

H-I
3

24

同じように四塩化炭素分子は 1 個の炭素原子に 4 個のH塩素原子が結合していますから、炭素−塩素結合が結合双極子モーメントを示しながら、正 4 面体構造をしているために分子双極子モーメントが 0 になっています。また、二H
H

酸化炭素は炭素原子に 2 個の酸素原子が結合しているにもC
Hかかわらず、分子双極子モーメントが 0 を示すことから、
図2−5 メタンの立体構造

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あることが分かります。

表 2−9 から分かるように酸素−水素結合は結合の双極子モーメント 1.51x10−18esu･cm
であり、結合距離 0.0958nm(9.58x10−11ｍ)ですから、水の酸素−水素結合は 67.2％の共有結合の性質と 32.8％のイオン結合の性質を持つものと算定されます。電気陰性度の値を考え合わせますと、ここに算定された結果は水の水素原子がわずかに正の電荷を帯電し、酸素原子が負の電荷を帯電していることを意味しています。水はこのように電荷の偏りを持った結合で中心となる酸素原子に 2 個の水素原子が結合していますが、分子双極子モーメン
トが 1.85x10−18 esu･cm とかなり大きな値を示すことから、図 2−6 に示すように酸素

0.096nm−水素結合の結合双極子モーメント1.51x10−18esu･cm をもとにしたベクトル合

1.51 O 1.51
H
H

成により水の結合角は 104.45°と算出できます。二酸化炭素のように 3 個の原子が直線状に結合して対称性を持った構造ではな

1.85

く、水の分子はブーメランのようにくの字
図2−6型に水素 2 原子が酸素 1 原子と結合してい104.45°水の双極子モーメントと結合角る非常に簡単な構造を持っていることが、双極子モーメントから結論付けられます。
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。一般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、常に水素陽イオンと水酸イオン（OH−）に若干解離しています。また、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。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

25

Hb

Hb
O

Hc

Ha

Ha
O

Ha

Hc

Hb

O
Hc

式2−6
子上の水素の交換を起こします。式 2−6 に示すような水分子の水素原子が隣の水分子に結合を変更してゆく交換が瞬時に起こるため、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 つの酸素原子に結合しているような性質を示します。このような瞬間的な配位結合による引力と分子に間に働く静電的な引力を総合して水素結合といい、水の場
合にはこの水素結合の強さが約 6kcal/mol と見積もられています。そのため、沢山のくの字型に曲がった水分子が互いに引き付け合い、3 次元の網目状に絡み合った一塊として挙動すると考えられます。模式的に考えれば、液状の水は図 2−7 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。

表 2−10 水素結合の強さ
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、強さには種類

強さ（kcal/mol）

大小がありますが、水以外にも種々の原子の間に水素結

O-H…N

7

合が認められます。表 2−10 には炭素、窒素、酸素、フ

O-H…O

6

ッ素の間の水素結合エネルギーの大きさをまとめておき

C-H…O

2.6

ます。通常の共有結合やイオン結合に比較して、種々の

N-H…O

2.3

原子間の水素結合の強さはいずれも小さなものですが、

N-H…N

4

水の特異な性質がこの水素結合に起因しているばかりで

N-H…F

5

F-H…F

7

なく、蛋白質の 3 次元的構造を固定したり、生物の遺伝情報の伝達に重要な役割を演じています。

26

3.

太陽に照らされて「地球は青かった」

波長の長さで変わる光エネルギーの大きさ
光のエネルギーに対して Newton は式 3−1 に示す粒子の運動による運動エネルギーの関係式を適用して説明を試みましたが、後に明らかになったのですが光の粒子が質量を持たず式 3−1 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 3−2 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 3−2 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。

E=

1 2
mv
2

E = hν =

式 3−1

hc

式 3−2

λ

同じ波長の光が同じ光のエネルギーを持っているにもかかわらず、冬の太陽の光は弱々しく、夏の太陽の光はギラギラと強く輝いています。このことは電磁波が単なる波では完
全には説明できず、同じエネルギーを持つフォトンの量あるいは密度により電磁波の強さが変化するものと考えられます。実際、振動数の大きな電磁波を物質に当てると電子やイオンをはじき出す光電効果という現象が起こりますが、このときはじき出される電子やイオンの量は振動数には無関係で電磁波の強さに比例します。このことからフォトンは波の運動をしながら走る重量を持たない粒子であると考えられ、そのフォトンは振動数に比例する一定のエネルギーを持っています。その光が持つ総エネルギー量はそのフォトンの数に比例しています。冬の弱々しい太陽の光は一定時間の内に到達するフォトンの数が少な
く、夏のギラギラと強く輝く太陽の光には多くのフォトンが含まれています。
Einstein の考えによれば、電磁波は磁場と電場が相互に影響しあいながら規則的に変化し、伝播してゆく波の性質を持っています。水面にたつ波は水を媒体に、また音の波は空
気を媒体にしてエネルギーを伝播しますが、電場や磁場の変化は媒体に無関係ですから、真空中でも電磁波はエネルギーを伝播してゆきます。また、電磁波の磁場の振動面と電場の振動面は電磁誘導により直交し、周期は同期されています。Maxwell はこのような磁場と電場の立体的な関係を３次元的に数式化して、電磁波の持つ種々の性質を論理的に合理化しました。これにより、電磁波が通過する物質の誘電率をε、誘磁率をμとするときに、電磁波の伝播する速さｃは定数の 299792458ｍ/s となり 1 秒間に地球の周りを約７周半走ると概算されます。

27

光エネルギー
log(kcal/mol)10

図3−1 電磁波の波長と光エネルギー

6

2

-2

-6
γ線

X線

紫外線 赤外線 マイクロ
波

短波

-10
-16

-12

-8

-4

0

長波
波長
log(ｍ)

4

紫色と赤色のそれぞれ 400nm（4.0ｘ10−7ｍ）と 700nm（7.0ｘ10−7ｍ）の光の波長を式3−2 に代入してみますと、フォトン 1 個の持つ光エネルギーはそれぞれ 11.86x10−23 kcal
および 6.78x10−23kcal と計算できます。フォトンと同じように分子も非常に小さな粒子ですから、物理学や化学の分野ではモルという単位で物質の重さや性質と分子の関係を表しています。Avogadro が明らかにしたように 1 モルに含まれる粒子の数は 6.022ｘ1023 個ですから、1 モルのフォトンが持つ紫色と赤色の光のエネルギーはそれぞれ 71.44 kcal と 40.82 kcalと計算されます。さらに、真空中の電磁波の波長に対する電磁波の 1 モルのフォトンが持つエネルギーの変化を図 3−1 に示しておきます。このように電磁波の波長によりそのフォトンが持つエネルギーが大きく異なりますから、種々の電磁波がその波長により 9 種の電磁波に実用的に大別されています。
それらの関係は表 3−1 にまとめたように、最も波長の短くエネルギーの高いγ線は放射性物質から発せられる放射能と考えられている電磁波ですし、0.1〜10nm（10−10〜10−8ｍ）の波長を持つ電磁波は X 線と呼ばれています。一般に、100nm〜100μm（10−7〜10−4ｍ）の波長の電磁波を光と呼んでいますが、人間が目で感じることのできる光は特に可視光線と呼ばれ、400〜800nm（4ｘ10−7〜8ｘ10−7ｍ）の波長領域に限られています。また、可視光線よりも波長の短い光を紫外線、波長の長い光を赤外線と呼んでいます。光よりもさらに波長の長い電磁波は電波と呼ばれていますが、それらの電波には電磁波の性質によりマイクロ波と極超短波と短波と長波に分類されています。γ線や X 線や紫外線などの波長の短い電磁波は非常に高いエネルギーを持っていますし、赤外線や各種の電波は小さなエネルギーしか持って居ないことが分かります。ちなみに、水の分子を構成している酸素28

−水素結合の結合エネルギーは 119kcal/mol と見積もられていますから、紫外線から可視光
線の光エネルギーに相当しています。このように可視光線の波長変化に伴う色の変化した
帯をスペクトルと本来呼んできましたが、科学の進歩に伴い紫外線や赤外線の領域とも実質的に連続して電磁波の性質の徐々に変化して行くことが明らかになってきましたから、近年では広い波長領域での変化もスペクトルに含めるようになっています。このように波長領域により電磁波の持つエネルギーが異なりますから、電磁波を照射したときに起こる水に対する影響や挙動はこれらのγ線と X 線と光と電波により非常に異なっているように思われます。
表 3−1 電磁波の波長とエネルギーと物質に対する現象

振動数（ν）

電磁波の光エネルギー

物質に対する

（ｍ）

（Hz）

種類

(kcal/mol)

物理現象

10-16

3 x 1024

2.86 x 1011

10-15

3 x 1023

2.86 x 1010

10-14

3 x 1022

10-13

3 x 1021

波長（λ）

10-12

1pm

10-11

2.86 x 109

γ線

2.86 x 108

3 x 1020

2.86 x 107

3 x 1019

2.86 x 106
2.86 x 105

10-10

1A

3 x 1018

10-9

1nm

3 x 1017

2.86 x 104

X線

10-8

3 x 1016

10-7

3 x 1015

紫外線2.86 x 102

3 x 1014

可視光線

2.86 x 10

10-6

1µｍ

10-5

3 x 1013

-4

12

10

3 x 1010-31mm

3 x 1011

10-2

1cm

3 x 1010

10-1
1

3 x 1091m

3 x 10810

3 x 107102

3 x 106

1031km

3 x 104105

3 x 103

電子の励起

2.86 x 103

2.86

赤外線

2.86 x 10

マイクロ波

極超短波

2.86 x 10-2
2.86 x 10-3
2.86 x 10-5
2.86 x 10-6

短波2.86 x 10-7
2.86 x 10-8
2.86 x 10-9

長波2.86 x 10-1029共有結合の励起共有結合-12.86 x 10-4

3 x 105104

原子核の変化の運動
分子の運動

紺碧に見える深水の水も掬えば無色透明
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。しかし、太陽は水素やヘリウムの原子で被われていますし、酸素や窒素を主成分とする大気で地球の周囲も被われています
ので、太陽の表面で輻射した電磁波の大部分は吸収されてしまい、300nm 以上の比較的波長の長い紫外線と可視光線と赤外線だけが地表に到達しています。しかも、昼日中と日の出や日の入りの前後では太陽光が大気を通過する距離はが変化しますから、地表に到達す
る太陽光のスペクトルも時々刻々変化します。また、白い砂浜では太陽光はそのまま反射しますが､草原や森の中では緑色の光を強く反射します。そのため周囲の環境や天候や時刻により、地表に届く太陽光のスペクトルは大きく変化し簡単には数値化することができませんので、太陽光の平均的なスペクトルを基に JIS(日本工業規格)では照明器具やインクや染料などの産業のために標準の昼光の波長に対する相対強度を標準光として規定しています。そのスペクトルを図 3−2 に赤線で示しておきますが、460nm で最も高い強度を持ち波長が長くなるに連れて強度が小さくなっています。このスペクトルから太陽光は相対的に紫色から青色の比較的短波長の可視光線に偏っていると思われます。
図3−2 標準光相対強度と分光視覚効率
100
％
80

60

40
明所分光視覚効率
暗所分光視覚効率
標準光相対強度

20

0
400

500

600

700

波長(nm）

太陽光の降り注ぐ世界に棲息する生物は物事を知覚するために、比較的波長の長い紫外線と可視光線と赤外線を効率よく吸収する機構を持っています。脊椎動物は眼を使って周囲を認識していますが、棲息する環境がそれぞれ異なりますから、それぞれ動物の目の能
力は光の波長や強度により異なります。例えば鶏は紫色と青色と緑色と赤色の光に感度の30

高い 4 種の物質を用いて 380〜700nm の波長領域の光を感知して周囲を認識しています。
人間の眼は角膜と水晶体と硝子体で構成される光学系により光学像を網膜上に結び、網膜上で起こる感光物質の変化を視神経が知覚し、その情報を視覚中枢で整理する機構を持っています。網膜部分には青色と緑色と赤色の光に高い感度を持つ 3 種の感光物質が分布しており、400〜700nm の波長領域の光を認識しています。しかし、これら 3 種の物質の感知する領域が互いに重複しますから、光の明るさにより各波長の感度は異なってきます。強い光と弱い光に対する眼の感度をそれぞれ明所分光視覚効率 (水色線)と暗所分光視覚効率(青色線)の値として図 3−2 に示しておきますが、弱い光では短波長の光に対する感度が高くなっています。このように網膜で感じる光の感度は波長により一定では有りませんから、網膜に到達した光の強さに比例するように視覚中枢で網膜の感度を補正しています。
太陽の光は波長により一様な強度を持っているわけではなく、波長が長くなるに連れて強度が小さくなっています。地上に進化成育してきた人間は網膜で感じる光の感度を補正してそのような太陽の光を白色(無色)に感じるように視覚中枢で認識しています。言い換え
れば、虹の 7 色の光が図 3−2 の赤線で示すスペクトルの強度比で同時に眼に入ると、人間はそれぞれの光の色を打ち消すように白色(無色)の光として認識します。標準光のスペクト
ルの強度比を持たない光は白色(無色)の光には見えず、ある波長領域の光の強度比が大きい
時にはその領域の波長の色を感じます。反対にある波長領域の光の強度が小さい時にはその領域外の波長の色を感じます。
人間の眼は網膜部分に分布している青色と緑色と赤色の光に高い感度を持つ 3 種の感光物質により 400〜700nm の波長領域の光を認識していますから、Munsell は光の色の要素が青色と緑色と赤色の 3 色と考えて、全ての色を 3 色の要素の組み合わせとして図 3−3 に示すマンセルの色相環に並べました。青色と黄色のように、この色相環では反対側に位置する色を補色と呼んで、互いの色は 3 色の要素が補完する関係にあることを示しています。標準光のスペクト
ルの強度比に比較して、ある波長領域の光の強度が小さい時にはその領域外の波長の色を感じますが、その色は強度の小さな波
長領域の光の補色に相当します。
標準光のスペクトルの強度比と比較して、夜の歓楽街ではネオンサインなどにより赤い色の光の強度比が大きくなっています。当然、そのような場所では全ての物が赤く見えま
すから、歓楽街に働く女性の顔色も赤みを帯びて若々しく美しく見えます。また、黄色の31

サングラスはその補色に相当する青色の波長の光を太陽光から吸収してしまいますから、
当然、サングラスを透して見える景色は黄色く見えます。しかし、暫くサングラスを掛け続けていますと、網膜で感じる光の感度を視覚中枢で補正してしまい、黄色く見えていた
景色は昼光色の景色に戻ってしまいます。このように人間の眼は相対的には極めて高い精度と感度を持って感知するようにできていますが、知覚した情報を常に視覚中枢で補正していますから、眼に入っていても見えなかったり、色の付いた物も無色に見えるような不思議が起こります。
水は酸素原子と水素原子が共有結合により強く結ばれており、さらに水分子同士が弱い配位結合などを含む水素結合により複雑に絡まった構造をしていますから、139nm に酸素−水素単結合に由来する短波長の紫外線の吸収が観測されますが、同時に 1940、1450、1190、970、760nm に極大を示す配位結合に由来する長波長の光を吸収します。表 3−2 に掲げた
これらの極大吸収の吸光係数から、長波長領域の吸収は極めて弱いことが分かります。光の吸収は光が透過する距離に比例しますから、吸光係数は 1mol/L の溶液を 1cmの距離だけ通過してくるときに透過してくる光の強さの割合で表しています。水の 760nm の極大吸収における吸表 3−2 水の極大吸収波長(nm)

吸光係数

139

1698

760

0.0005以上の距離を透過しなければこの波長の光の吸収を眼で970

0.0083

認めることが出来ないと計算されます。そのために少量

1190

0.019

の水では無色透明に見えますが、大量の水を透過する間

1450

0.47

には水が波長の長い 760nm 近傍の赤色の光を吸収して、

1940

2.0

光係数が 0.0005 L/mol･cm ですから、光が少なくとも 50cm

その補色に相当する青色に見えます。
太陽光が水中で反射してくる時には、水の中を長距離にわたり光が透過しますから、赤色の光を吸収してしまい、海も湖も青く見えます。透明度が高く水深の深い摩周湖の水が紺碧に見えたことは今でも忘れられません。また、大気は大量の水蒸気を含んでいますから、当然わずかながら赤色の光を吸収してしまい、日本晴れの空は抜けるような青色になります。1961 年に宇宙飛行士 Гагарин（ガガーリン）がはじめて大気圏外に出て太陽に照らされた地球を見て「地球は青かった」と感じたのも海や空気中の水が赤色の光を吸収しているためです。

赤外線で調べる宇宙の水の存在
原子核と電子の間に働く引力と原子核同士の間に働く斥力が打ち消しあいますから、図2−2 の赤色の線で示すように結合距離において最もエネルギー的に安定になり、結合距離よりも 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。そのため、結合が伸びたり縮んだりする伸縮運動をするためにはエネルギーを必要とします。この原子を結び付ける結合は重い球をバネで繋いでいるようなものですから、結合の伸縮運動は

32

バネの運動を表す Hooke の法則で近似することができます。結合を長く伸ばそうとすれば大きなエネルギーを必要としますし、小さなエネルギーではほんのわずかしか結合は伸びません。また、2 つの原子を結び付けている結合エネルギーは Hooke の法則のバネ定数に相当しますから、2 つの原子が強く結ばれている結合エネルギーの大きな結合においては、
この結合の伸縮に要するエネルギーは当然大きくなりますし、結合エネルギーの小さな弱い結合においては小さなエネルギーで伸縮することが出来ます。さらに、同じような質量を持つ原子同士が結ばれた結合では比較的小さなエネルギーで伸縮振動をしますが、質量が大きく異なる原子間の結合の伸縮運動には大きなエネルギーを要します。
同じような質量を持つ炭素−炭素結合や酸素−炭素結合の伸縮運動には 3〜5kcal/molのエネルギーを要しますが、炭素−水素結合や酸素−水素結合は約 10kcal/mol のエネルギーにより伸縮振動を起こします。表 3−1 からも明らかなように、この程度のエネルギーが赤外線の持つ光エネルギーに相当しますから、結合は赤外線の光を吸収して伸縮運動し、分子の中で原子が動きます。結果として赤外線の光で物質を照らしますと、物質を構成す
る分子の結合が伸縮運動しますから、赤外線の光エネルギーは熱に変換されて物質を暖めます。しかし、結合を形成する原子は極めて高速で運動していますから、原子間の伸縮運
動も量子力学で考えなければなりません。そのため、吸収する電磁波は連続的なスペクト
ルを持つ赤外線ではなく、結合の種類により特定の波長の赤外線を吸収します。
例えば、水素結合などの影響を受けない酸素−水素結合は 2.75μm（2.75x10−6m）の赤
外線の光エネルギーを吸収するときに伸縮運動が引き起こされますが、水素結合により他の分子と絡み合っている酸素−水素結合では結合エネルギーが若干弱くなっていますから、若干長波長の赤外線を吸収します。水やアルコール類は隣の分子との 2 分子間の水素結合の場合もありますが、多くの分子との間の複雑な水素結合も含まれますから、酸素−水素
結合は 2.75〜3.15μm の幅広い波長領域の赤外線を吸収して伸縮運動します。また、ケトンやアルデヒドやカルボン酸やエステルはいずれも酸素＝炭素 2 重結合を持つ原子団です
が、隣接して結合している種々の原子の影響によりわずかながら結合エネルギーに差がありますから、それぞれ 5.84、5.78、5.84、5.74μm の波長領域の赤外線を吸収して酸素＝炭素 2 重結合の伸縮運動を引き起こします。酸素−水素結合や酸素＝炭素 2 重結合と同じよ
うに、種々の原子間の結合の伸縮運動により特定の赤外線の吸収波長が異なって観測されます。
第 2 章で考えたように、双極子モーメントの値からメタンや四塩化炭素は正四面体構造
を、二酸化炭素は直線状の構造を取り、結合角がそれぞれ 109.5°、109.5°、180°と算出されますし、水は結合角 104.5°のくの字型に曲がった構造を持っていることが示されます。
結合の伸縮運動のように、3 つの原子がなす角度も結合角において最もエネルギー的に安定になり、原子のなす角度が結合角より狭まったり、拡がったりする変角運動においてもエネルギーを必要とします。原子を結び付ける結合は重い球をバネで繋いでいるようなものですから、結合の伸縮運動と同じように変角運動もバネを折り曲げる運動を表す Hooke33の法則で近似することができます。結合角から大きく変化させようとすれば大きなエネル
ギーを必要としますし、小さなエネルギーではほんのわずかしか角度が変化しません。そ表 3−3 種々の結合の赤外線特定吸収

結合名

原子団名

波数（ｃｍ-1）

種類

波長（μm）

伸縮

3.38〜3.51

2962〜2853

変角6.74〜7.30

1485〜1370

伸縮

3.29〜3.32

3040〜3010

変角10.05〜11.05

995〜905

伸縮

3.30

3030

変角

12.00〜13.30

830〜750

アルケン

伸縮

5.95〜6.17

1680〜1620

ベンゼン

伸縮

6.25〜6.33

1600〜1580

ケトン

伸縮

5.80〜5.87

1725〜1705

アルデヒド

伸縮

5.75〜5.81

1740〜1720

エステル

伸縮

5.81〜5.76

1750〜1735

カルボン酸

伸縮

5.80〜5.88

1725〜1700

アミド

伸縮

5.95〜6.14

1680〜1630

伸縮

2.86〜3.02

3500〜3310

変角6.06〜6.45

1650〜1550

伸縮

2.86〜3.20

3500〜3140

変角

6.17〜6.62

1620〜1510

伸縮

2.94〜3.13

3400〜3200

変角7.40〜7.90、950

1350〜1260、1050

伸縮

2.94〜3.13

3400〜3200

変角7.40〜7.90、950

1350〜1260、1050

伸縮

2.94〜3.13

3400〜3200

変角7.10〜7.60、8.3

1410〜1310、1200

カルボン酸

伸縮

3.70〜4.00

2700〜2500

C−F

フッ化物

伸縮

7.10〜10.00

1400〜1000

C−Cl

塩化物

伸縮

12.50〜16.60

800〜600

C−Br

臭化物

伸縮

16.60〜20.00

600〜500

C−I

ヨウ化物

伸縮

20.00

500

アルカン
C−H

アルケン

ベンゼン

C=C

C=O

アミン
N−H
アミド

水

O−H

アルコール

フェノール

34

の他ベンゼン環などのような平面構造が多少平面から歪む変角運動などにもエネルギーが必要となります。このような種々の変角運動は比較的長波長の赤外線を吸収するときに引き起こされます。
このように種々の原子間の結合の伸縮運動や変角運動によりそれぞれ特定の波長の赤外線を吸収しますし、同じ種類の結合でも隣接する原子や原子団により吸収する赤外線の特定波長が微妙に異なります。表 3−3 には種々の結合を形成する原子や隣接する原子団の種類により吸収する赤外線の特定波長を掲げておきます。通常化学の研究では、これらの赤外線の特定吸収を波数で表す習慣がありますので、それらの数値も掲げておきます。
この表の値を基に、観測される赤外線の吸収波長から物質の中に含まれる分子の結合の様子が推測できますし。その吸収強度から含まれる特定の結合の量を測定することもできます。この赤外線の吸収を用いる分析法は炭素原子を中心元素とする多くの物質の組成や状態を分析するために広く用いられていますが、さらに、水や二酸化炭素などの特定な物質の成分分析などにも用いられています。また、宇宙の彼方から地球に到達する赤外線を赤外線望遠鏡で観測することにより、水やアンモニアやメタンなどの他に一酸化炭素やシアン化水素など多くの星間物質の存在が確認されています。

水を元気に躍らせて「チ〜ンしましょう」
一般的に、物質は種々の原子が共有結合で結ばれていますから、塩化水素の結合が電子の偏りを持っているように多くの物質を構成している結合には結合軸に沿った方向に多少の電荷の偏りを持っており、結合の双極子モーメントも方向性を持っています。しかし、多くの原子が集合した多原子分子中の原子の位置は 3 次元的な広がりを持っており、それぞれの結合も 3 次元的な方向を持っていますから、分子全体の双極子モーメントは各結合の双極子モーメントのベクトル和となります。当然、分子が自由に動き回ることのできる
気体や液体の状態では、このような多原子分子が正負の電位差のある電場の中に存在する
ときには、その分子の結合の双極子モーメントをベクトル和した分子双極子モーメントにより分子が整列してゆきます。
電磁波は正の電位から負の電位まで電場の強さが周期的に変化する波の性質を持っていますから、その周波数に相当する速さで電場が交互に変化します。双極子モーメントを持つ分子に紫外線や可視光線やマイクロ波などの電磁波を照射しますと、電磁波により分子の周囲の電場が周期的に変化します。物質を構成している分子は電磁波による電場の変化の影響を受けて、分子内で電荷の偏っている部分に周期的に静電的な引力が働きます。
分子の中の電子は 10−15 秒程度、液体や気体の分子は 10−12 秒程度の時間内で活発に運動しています。紫外線や可視光線は波長が短く電場の変化の周期が 10−15〜10−14 秒程度に短い
ために、分子運動が電場の変化に追従できませんから分子はあまり動くことが出来ません。
しかし、分子が自由に動き回ることのできる気体や液体の状態のときには、波長の長い電磁波でその電場の変化に追従するように分子が回転して整列しますから、電磁波の周波数35にあわせて周期的に分子はその方向を逆転するように整列を繰り返します。1 秒間に 1010
〜1011 回（1010〜1011Hz）の周波数を持つマイクロ波では電場の変化の周期が分子の整列するに要する時間に適しているために、マイクロ波の照射により分子は激しく整列の運動を繰り返します。分子が激しく運動すれば当然分子同士の摩擦や衝突が起こりますから、発熱をして物質の温度が上昇します。この現象はマイクロ波を吸収して熱エネルギーに変換するもので、電磁波のエネルギーの変換と考えることが出来ます。
分子双極子モーメントを持つ物質にマイクロ波を照射して加熱する方法は双極子モー
メントの値が大きいほど効率が良くなります。また、分子の密度が小さい気体の状態では摩擦や衝突が小さいためにあまり発熱しませんが、運動する分子の密度が高い液状の場合には分子間の摩擦や衝突が起こり易くなりますから発熱効率も上がります。牛乳や味噌汁やシチュウなどはいずれも水溶液ですし、ご飯や肉や野菜などほとんどの食物には多くの液状の水が含まれています。この液状の水は表 2−8 でも明らかなように大きな分子双極子モーメントを持って分子の中で電荷が大きく偏っていますから、非常に効率よくマイクロ波の光エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換することができ、この現象が電子レンジ
として 1947 年に商品化されました。食物の中に含まれている水にマイクロ波を照射しますと、食物の中で液状の水の分子が激しく整列の運動を繰り返しますから、食物の内部から温度が上昇し高い発熱効率で温められてゆきます。このように水を加熱する現象は電子レンジに利用されて広く家庭に普及しています。初期の電子レンジが「チ〜ン」という音で加熱の終了を知らせましたので、「チ〜ンしましょう」という流行語の生まれたほどにこの便利な加熱器具は急速に普及しました。この電子レンジは非常に効率よく水を加熱することができますが、原理的に双極子モーメントの小さく固体状態のプラスティックや陶磁器を加熱することが出来ませんから、これらの器を用いて食物だけを非常に短時間に温めることが出来ます。

36

4.

水は一風変わった液体物質の持つエネルギーは 2 種類
多くの小学生が学ぶ小学校の昼休みを考えてみてください。生まれつき体格や運動能力
や興味が違いますし、寝不足や体調も異なりますから、個々の小学生の持つ元気さは皆違います。先生が何もしなくても給食が終わると、元気な小学生は運動場に飛び出してゆき
遊び始めます。昼休みが終わると先生は始業のチャイムを鳴らして生徒を教室に呼び集めます。そして大きな声を張り上げて勉強が出来るように席に着かせます。それでもだめな
らば、先生は生徒の注意を引くような話や行動をとるでしょう。このようにして、生徒を教室という秩序の中に纏めて行きます。大人しく静かな小学生は直ぐに教室の秩序に従いますが、やんちゃで元気な小学生はなかなか授業を受ける気になりませんから、先生はチ
ャイムを鳴らしたり、声を張り上げたり、注意を引くような行動をとりましたが、この時先生はかなりの精力を使わなければなりません。
物質は分子がある秩序を持って集合して形作られていますが、それぞれの分子は固有のエネルギーを持って運動しています。このような分子が秩序を持って集合するときには、昼休み後の小学生のように分子は集合のためのエネルギーを必要とします。逆に、給食後の小学生も物質も放って置けば少しずつエネルギーを放出して次第に分子や小学生の秩序を乱して散り散りばらばらに拡散してゆきます。個々の小学生が持っている元気さのように分子が個々に持つ固有のエネルギーをエンタルピーと呼び、それらの分子を秩序高く集合させて物質を組織させるために必要であり、秩序なく拡散する際に放出されるエネルギーをエントロピーと呼んでいます。
物理学の基礎となる熱力学の 3 法則のなかには、外界から独立し遮断された閉鎖系では、エネルギーも物質も形態は変化してもその総量は不変であり、エネルギー不滅と物質不滅の法則が含まれています。また、エネルギーを発散しながら閉鎖系の中の秩序は失われ拡散する方向に変化が起こり、逆に秩序高く集合させるためにはエネルギーを必要とすることが、エントロピーの増大するように変化が起こるという法則として認められています。
このようなエンタルピー（H）とエントロピー（S）の 2 種類は物理現象を始め宇宙のすべての現象を支配するエネルギーの関係として、Gibbs が式 4−1 に数式化して纏めました。
ただし、この系の絶対温度を T とするときに、この系の持つエネルギーの合計を自由エネ
ルギー(G)と定義しています。

G = H − TS

式 4−1

さらに、ある系 A から系 B に変化する時には、両系におけるエンタルピーとエントロ
ピーと自由エネルギーのそれぞれの変化を式 4−2 と定義しますと、式 4−3 が導かれます。

37∆H = H B − H A∆S = S B − S A

式 4−2∆G = G B − G A∆G = ∆H − T∆S

式 4−3

ここでΔG が負の値の場合には系 A よりも系 B の持つ総エネルギーが小さいことを意味しますから系 A から系 B への変化は発熱反応であり、逆にΔG が正の値の場合にはエネ
ルギーを加えなければ反応の進行しない吸熱反応と考えられます。

物質の状態を左右する分子間力と運動エネルギー
原子やイオンは 0.1〜0.2nm（1〜2 x10−10m）の半径の球に過ぎませんから、いずれも極めて小さなものです。原子やイオンほどでは有りませんが、多くの分子もこれらの原子が相互作用しエネルギー的な安定化を伴って結合し、集合した物ですからその大きさは大きな物でも 10nm（1x10−8m）ほどしかありません。そのような分子ですから 1 個の分子の持つ性質は微々たるものに過ぎません。物質は分子がある秩序を持って集合して形作られていますから、当然その微々たる性質が総合した性質を示しますが、さらにその集合の仕方により物質の性質は大きく影響されると思われます。
分子はそれぞれ固有のエネルギーを持って運動していますが、これらの分子も集合する
時には互いに接近しますから相互作用するようになります。一般に、共有結合やイオン結
合や金属結合により直接結合した原子の間には一定の結合距離が保たれ結合エネルギーの安定化が起こりますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来する van der
Waals 力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 4−4 のような関数として近似されています。この関係式から分かるように、分子間力は分子と分子の間の距離に反比例する相互作用ですから、分子同士が遠く離れている
時には無視できるほどに小さな分子間力しか働きませんが、分子の密度が高くなると、分子の間の距離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間力は最も大きくなりエンタルピー的に安定化します。また、分子は個々に運動エネルギーを持って動き回りますが、元気よく遊びまわっている小学生を教室に集めるように、分子を集合させて物質を構成するためにはエントロピー的には大きなエ
ネルギーを要します。

EVW =

a
b
−
r 12 r 6

式 4−4

38

気体の状態になって自由に動き回る分子は、壁に衝突すると壁は質量を持った分子から何がしかの力を受けます。これを圧力といいます。気体の衝突で受ける力は分子の数が少なければ小さく、分子の数が多ければ受ける力も大きくなります。言い換えれば、圧力は自由に動き回る気体の分子の密度に比例するということです。密度がある一定体積中の分子の数を意味していることから、気体の圧力ｐはその体積Ｖに反比例し、気体の分子の数
Na に比例します。また、分子の衝突で生まれる圧力は分子の質量 m とその分子の運動の速度ｖに比例します。理想気体定数を R とするとき、気体の持つ運動エネルギーＥは理想気
体の状態方程式を加味すると式 4−5 のように表すことができます。

N a mv 2p=3V13
E = N a mv 2 = RT
2
2

式 4−5

この式 4−5 からも分かるように、運動エネルギーは低温では小さく温度Ｔが高くなるほど大きくなりますから、分子は速度が速くなって激しく運動します。温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さいときには、固体の状態になり、分子間距
離が小さくなるように分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。
この状態では分子はその配列を崩すほどには動くことが出来ません。温度が少し高くなり分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなりますと、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなりますと、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、自由な世界に飛び出してゆきます。この飛び出す現象を気化といい、分子が分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる状態を気体の状態といいます。
分子が整然として配列している固体の状態からその配列を崩して自由に動き回る液体に変化する温度を融点、逆に液体から固体になる点を凝固点と呼んでいます。融点あるいは凝固点はある物質固有の一定な温度ですから、分子の持つ運動エネルギーは変化しませんが、分子の整然とした配列の秩序が変化して分子間の距離が変化しますから、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらします。吸熱的な分子間力の現象が発熱的なエントロピー変化に優りますから、固体はエネルギーを加えなければ融解しませんし、液体は発熱しながら凝固します。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。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。

39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 4−5 から分かるように温度に比例しますが、分子の質量が大きな時にはたとえ温度が高くなってもゆっくりした速度で運動し、質量の小さな分子は低温においても非常に早く運動します。液体や固体は理想気体ではありませんからそれらの状態の運動
エネルギーを正しく近似することはできませんが、運動エネルギーが温度により変化し、分子量の小さな分子は早く運動します。
軽くて小さい分子は低い温度でも分子間力により束縛されるよりも早く動き回りますから、分子の間隔が大きくなり液体や気体になり易い性質を示します。逆に、大きな分子量の分子の動きは鈍くなりますから、分子間力に負けてしまい、固体の状態を取りやすくなります。そのため同じような分子間相互作用を持つ物質では、分子の質量を表す分子量が沸点と高い相関性を示すと思われます。実際。分子間相互作用の類似している同族系列の有機化
合物の分子量と沸点の関係を図 4−1 のグラフに示しますが、全ての系列において曲線が右上がりになっていますから、分子量が大きくなるほど沸点は高くなり気体になり難くなることを示しています。さらに、比較的に分子間相互作用の小さな飽和炭化水素や塩化アルキルなどの同族系列の有機化合物では分子量約 100 を持つ物質が約 100℃で沸騰します。
300
沸点(℃)

図4−1 沸点と分子量の関係

200

100

0
水素と飽和炭化水素
塩化水素と塩化アルキル
水とアルコール
アンモニアとアミン
カルボン酸

-100

-200

-300
0

50

100

150

分子量

物質には固体、液体、気体の３態があり、分子などの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40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状態は決まってきます。このように物質の３態は 3 種のエネルギーの釣り合いによりますが、分子の運動エネルギーが分子量に反比例しますから、沸点と分子量の曲線が上に平行移動することは飽和炭化水素
や塩化アルキルなどの同族系列と比較して、アルコール類やアミン類やカルボン酸類の分子間力が大きいことを意味しています。分子間相互作用の小さな分子量約 100 を持つ物質が約 100℃で一般的に沸騰しますが、同じように 100℃で沸騰する水は分子量 18 に過ぎま
せんし、沸点と分子量の曲線も例外的に右下がりになっていますから、飽和炭化水素や塩
化アルキルと比較すると水は極めて異常と思われる性質を示しています。水の場合には水素結合により絡み合って大きな分子間力が働いているために飛び出し難くなってしまい、
結果的に沸騰し難くなって高い沸点を示すことになります。

水は凍り難く蒸発し難い液体
分子の運動エネルギーが温度と分子量により変化しますし、分子間力が密度により変化しますから、物質の状態は温度と圧力により固体から液体へ、さらに液体から気体へ変化します。水は他の多くの物質と比較しますと極めて異常と思われる性質を示していますが、それでも氷と水と水蒸気の 3 つの状態は温度と圧力により変化します。いろいろな温度と圧力で水が氷、水、水蒸気の何れの状態にあるかは、図 4−2 に示す水の状態図で表すことができます。地球の表面では酸素や窒素などの大気が約 101000Pa（1010hPa、1 気圧）の圧力で圧力（Pa)

図4−2 水の状態図

100000000
10000000
1000000

氷水100000
10000
1000
100
10
1

水蒸気

0.1
0.01
0.001
-100

0

100

41

200 温度（℃） 300

覆っていますが、その時の水の状態は図 4−2 の圧力が 101000Pa の点を横に見ることにより、0℃で固体の氷から液体の水に変化し、100℃では覆っている大気を押し退けて水蒸気になると読み取れます。このように水蒸気に変化する圧力が大気の圧力と等しくなる温度を沸点と呼んで、水の無くなるまで沸騰して水蒸気になります。101000Pa よりも低い圧力の下では、水蒸気中の水分子の密度が小さくなりますから分子間力が小さくなり、水の沸点は 100℃よりも低くなります。実際、軽井沢や富士五湖のような高原では気圧が低いために 100℃より3℃ほど低い温度で水は沸騰します。
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4−3 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。
沸騰している水は温度が上昇をせず、完全に水蒸気として気化するまでその温度を 100℃に維持します。
0℃の氷 500g を薬缶に入れて台所のガスレンジで温めたときに、融けるまでの時間、0℃の水が沸騰しはじめるまでの時間、沸騰しはじめてから完全に水蒸気になって薬缶が干上がるまでの時間はそれぞれ 1 分半、2 分、11 分と概算することが出来ます。ただし、ガスレン
ジの発熱量は 1 分間に 50kcal で、熱効率 50％でガスレンジの熱が水を暖めるとします。この概算した時間から、水が沸騰を始めてから完全に蒸発し終わるまでの時間の極端に長いことが分かります。このことは 100℃の水蒸気が 100℃の水に凝縮するときには、非常に大き400

図4−3 １気圧下で1gの水の温度上昇曲線

温度（℃）
300

200

100

気化熱

0

融解熱

-100

-200
0

200

400

600

42

800

熱量（cal）

な熱量を放出することを意味しています。
沸騰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しまい、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すことになります。また、水素結合などの分子間力により強く結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)と大きな融解熱を示しています。
表 4−1 代表的な物質の融解熱と気化熱(cal/g･deg)

化合物

分子式

分子量

融解熱

気化熱

水素

H2

2

14.0

108.0

窒素

N2

28

6.2

47.6

酸素

O2

32

3.3

50.9

塩素

Cl2

71

21.6

68.7

水銀

Hg

201

2.7

70.5

塩化水素

HCl

37

13.8

105.8

二酸化炭素

CO2

44

43.2

137.0

二酸化硫黄

SO2

64

27.6

93.1

メタン

CH4

16

14.0

127.5

シクロヘキサン(CH2)6

84

7.4

85.6

オクタン

C8H18

114

ベンゼン

C6H6

78

クロロホルム

CHCl3

120

四塩化炭素

CCl4

154

4.2

47.3

アンモニア

NH3

17

79.0

327.0

アニリン

C6H5NH2

93

水

H2O

18

メタノール

CH3OH

32

262.8

エタノール

C2H5OH

46

204.0

フェノール

C6H5OH

94

29.0

蟻酸

HCOOH

46

58.9

酢酸

CH3COOH

60

43.2

酢酸エチル

CH3COOC2H588

尿素

H2NCOOC2H5

89

アセトン

CH3COCH3

58

43

70.9
30.1

94.3
59.0

103.7
79.8

539.8

114.3
96.8
88.4

40.9
124.5

表 4−1 には比較のために身の回りに多く見受けられる代表的な物質の融解熱と気化熱を掲げておきます。融点あるいは沸点はある物質固有の一定な温度ですから、分子の持つ運動エネルギーは変化しませんが、分子の整然とした配列の秩序が変化して分子間の距離が変化しますから、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらします。吸熱的な分子間力が発熱的なエントロピー変化に優りますから、融解熱を加えなければ固体は融解しませんし、気化熱を加えなければ液体は気化しません。水素結合は分子の間に働く分子間力ですから、
表で明らかなように水やアンモニアやアルコール類やカルボン酸類などの水素結合の相互作用を持つ物質は大きな融解熱と気化熱を示しています。特に水の場合には水素結合により絡み合い大きな分子間力が働いているために大きな融解熱と気化熱を示していますから、水は凍り難く蒸発し難い特異な液体と考えられます。

凍らせたまま煮詰めてつくるインスタントコーヒー
自由に動き回る気体の分子が壁に衝突するとき、壁が質量を持った分子から受ける力を圧力といいます。この圧力は分子の数が少なければ小さく、分子の数が多ければ受ける力も大きくなります。また、2 種類以上の気体分子が動き回っている時には、それぞれの気
体が壁に衝突して圧力を与えますから、それぞれの気体が持つ圧力の和に等しい圧力を壁は受けることになります。地球の大気は主として酸素と窒素で構成されていますが、森林地帯や汚染された都会や海の上など環境の違いにより酸素が減少して二酸化炭素が増加したり、逆に酸素の割合が増加したりします。大気を構成する酸素や窒素や二酸化炭素などの気体が持つそれぞれの圧力もそれぞれの気体の密度に比例して変化します。これらの気体は地球の引力により引き付けられていますが、地球の引力は一定していますから、地球の表面が受ける大気の圧力はそれぞれの気体が持つ圧力の総和でありながら、しかも約101000Pa に一定しています。
図 4−2 の温度が 20℃の点を上に見てゆきますと、水蒸気の領域と水の領域の境目では2340Pa の圧力で覆っている大気を押し退け約 2.3％だけ水蒸気を含むようになります。このように大気中に増加した水蒸気の圧力は蒸気圧と呼ばれ 2340Pa になりますが、同時に覆っている大気がわずかながら押し退けられますから、酸素や窒素などの個々の圧力はそれ
ぞれ 2.3％ずつ減少し、大気の圧力が 101000Pa に保たれます。このとき水の蒸気圧は101000Pa の大気の圧力には遠く及びませんから、水は自由に水蒸気となって飛び出すことができず液体の状態で存在します。しかし、対流や風により水を覆っている大気に含まれる水蒸気の割合が減少して蒸気圧が低下しますと、水蒸気の割合を保ち蒸気圧が 2340Pa になるように水は蒸発してゆきます。
また、100℃の点を上に見てゆきますと、大気圧 101000Pa
よりわずかに大きな圧力で水を覆っている酸素や窒素などの大気を水蒸気が完全に押し退けますが、大気圧は 101000Pa に一定に保たれていますから、さらに水の上を覆っている水
蒸気さえも押し退けてどんどんと気化する沸騰の状態になり、水はすべて水蒸気に変化して行きます。

44

砂漠においても太平洋上においても 20℃における水の蒸気圧が 2340Pa 以上には上がる
ことはありませんから、大気中の水蒸気の割合は大気圧 101000Pa に対する蒸気圧の比の2.3％以上には上がりません。大気中の上限の蒸気圧を飽和水蒸気圧と呼んでいますが、蒸気圧がこの飽和水蒸気圧に近ければもはや水はあまり蒸発しませんが、飽和水蒸気圧よりも非常に小さければ水は容易に蒸発して水蒸気になります。そのため、洗濯物の乾き方や喉の渇き具合など体感できる大気中の水の蒸気圧（ew）が飽和水蒸気圧(Ew)に対する比率に密接に関係しますから、これを式 4−6 のように相対湿度（RH）と定義して気象庁では
時々刻々測定しています。

RH =

ew
× 100
Ew

式 4−6

大気中の水の蒸気圧の上限となる飽和水蒸気圧は温度の上昇と共に大きくなりますから、大気圧に対する飽和水蒸気圧の割合の変化を図 4−4 に示します。例えば、大気圧が101000Pa の時に気温が 5℃、10℃、20℃と上昇しますと飽和水蒸気圧はそれぞれ 0.9%、1.2%、
2.3%と大きくなります。もし、大気圧 101000Pa 気温 10℃のときに、大気中に 1.2%の水蒸気が含まれていれば湿度は 100%ですが、気温が 20℃に上がりますと飽和水蒸気圧が増加しますから、同じ 1.2%の水蒸気を含んでいても湿度は 52.6％まで下がります。逆に、気温が5℃まで下がりますと、0.3%以上の水蒸気がもはや気体では存在できずに液化して水になりますから、霧となって空中に浮遊したり、葉の上や窓ガラスに結露したりします。
電気冷蔵庫の冷凍室は約−10℃に設定されていますが、その温度では水は氷の状態に固化しています。しかし、そのような低温においても 0.3%ほどの飽和水蒸気圧を持っていま8%

図4−4 大気中の飽和水蒸気圧
6%

4%

2%

0%
-20

-10

0

10

45

20

30

温度(℃) 40

すから、氷から僅かながらも水蒸気として大気中に蒸発してゆきます。揮発した水蒸気はさらに冷たい所に氷として凝縮しますが、この固体から気体の状態を経て再び固体となる現象を昇華といいます。昇華は蒸留と同じように相変化による現象で、ドライアイスが液体になることなく二酸化炭素に気化してゆくときに見ることが出来ます。冷凍庫の中では水の昇華の現象が起こりますから、食べ物の水分が蒸発して乾燥してゆき、揮発した水分は冷却装置の部分に凍り付きます。
酸化や重合などの食べ物の変性を伴う化学反応は高温で比較的に早く進行します。特に、通常の蛋白質の変性点は約 70℃ですから、温度を 100℃近くまで上げて水を濃縮すると蛋白質の変性が起こってしまいます。このような食べ物の反応は低温では比較的ゆっくりと進行しますから、低い温度では味や風味があまり損なわれません。水を含む物質を凍結した後に、昇華により低温で水分を取り除き乾燥させる凍結乾燥という技術が開発されています。この技術では匂い成分などの揮発性の物質は多少失われますが、食べ物に含まれる殆どの物質を変性することなく、その味や風味を保ったまま乾燥することが出来ます。
コーヒー豆から抽出して淹れたコーヒーの液を凍らせて、凍結乾燥により水分を取り除
きますと、コーヒーの苦味や風味が余り失われること無く乾燥した粉末になります。この
粉末は水を加えるだけで容易に溶けて元のコーヒーに戻りますから、インスタントコーヒ
ーとして忙しい現代生活では愛好されています。さらに、ネギや海老や油揚げなどの乾燥にもこの技術が用いられ、具や薬味として即席ラーメンや各種のカップ麺に加えられています。

暖め難く冷め難い水
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。前節で考えたように、状態の変化する融点あるいは沸点においては物質は固有の一定な温度を保ちますから、分子の持つ運動エネルギーは変化しませんが、分子の整然とした配列の秩序が変化して分子間の距離が変化し、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらします。吸熱的な分子間力が発熱的なエントロピー変化に優りますから、融解熱を加えなければ固体は融解しま
せんし、気化熱を加えなければ液体は気化しません。
状態の変化を伴わない固体や液体や気体のそれぞれの状態においては、加熱により物質に加えられるエネルギーは分子が持つ運動エネルギーと分子間力の変化とエントロピーの変化に費やされます。物質にエネルギーが加えられたとき、温度の上昇による分子の持つ運動エネルギーの増加に伴い、分子の整然とした配列の秩序が変化して分子間の距離が変化しますから、エントロピーの変化と分子間力の変化をもたらします。発熱的なエントロ
ピー変化が比較的小さな影響しか与えませんから、エネルギーを加えることにより物質の温度の上昇とともに分子間力を弱めるように分子が次第に離れてゆきます。分子が強く相46

互作用して分子間力が大きな場合には、加えられたエネルギーの多くは分子を少しでも引き離す力に消費されますから、温度の上昇をもたらす運動エネルギーにはわずかなエネル
ギーしか配分されません。1g の物質を１℃上昇させるために必要なエネルギーの大きさを比熱と定義していますから、分子間の強い相互作用による大きな分子間力を持つ物質では大きな比熱を示すと思われます。
表 4−2 には代表的な液体の比熱を同族系列にあら分けして掲げて起きます。表の中に紫色で示した炭化水素や赤色で示した有機ハロゲン化物は分子間の相互作用が小さいために分子間力の寄与が少なく小さな比熱を示しています。これに対して水素結合は分子の間に大きな寄与を持つ分子間力ですから、緑色で示したアンモニアやアミン類、青色で示したアルコール類、灰色で示したカルボン酸類などの水素結合の相互作用を持つ物質は大きな比熱を示しています。特に水の場合には水素結合により絡み合い大きな分子間力が働いているために極めて大きな比熱を示していますから、この点からも水は極めて特異で風変
表 4−2 代表的な液体物質の室温付近の比熱（cal/g･deg）

物質

分子式

比熱

物質

分子式

比熱

プロパン

C3H8

0.58

水

H2O

1.00

ブタン

C4H10

0.55

メタノール

CH3OH

0.60

ペンタン

C5H12

0.54

エタノール

C2H5OH

0.58

ヘキサン

C6H14

0.54

プロパノールC3H7OH

0.59

オクタン

C8H18

0.51

ブタノール

C4H9OH

0.56

シクロヘキサン（CH2)6

0.44

フェノール

C6H5OH

0.56

ベンゼン

C6H6

0.41

蟻酸

HCOOH

0.53

トルエン

C6H5CH3

0.42

酢酸

CH3COOH

0.52

ナフタレン

C10H8

0.40

プロピオン酸C2H5COOH

0.56

塩化エチル

C2H5Cl

0.37

酪酸

C3H7COOH

0.52

塩化ブチル

C4H9Cl

0.45

蟻酸エチル

HCOOC2H50.51

クロロベンゼンC6H5Cl

0.31

酢酸エチル

CH3COOC2H50.46

塩化メチレン

CH2Cl20.29

プロピオン酸エチル

C2H5COOC2H50.46

クロロホルム

CHCl3

0.23

酪酸エチル

C3H7COOC2H5

0.46

四塩化炭素

CCl4

0.20

安息香酸エチル

C6H5COOC2H5

0.39

アンモニア

NH3

1.13

アセトン

CH3COCH3

0.53

ジエチルアミン（C2H5)2NH

0.52

ジエチルエーテルC2H5OC2H5

0.55

アニリン

C6H5NH2

0.52

アニソール

C6H5OCH3

0.48

水銀

Hg

0.03

47

わりな物質と考えられます。このため、大きなエネルギーを加えなければ高温に加熱することができませんし、高温の水はなかなか冷めることがなく長時間にわたりその温度を維持します。この特異な性質を利用して、風邪を引いて体温が上がったときには水枕で体温を下げますし、冬の寒い夜には湯たんぽにお湯を入れて布団を暖めて休みます。また、自動車のエンジンは多くの場合に二重構造に作られており、外側の部分に水を入れてガソリンの燃焼に伴う温度の上昇を抑えてエンジンを一定の温度に維持しています。

分子の絡み合いで大きな粘性と表面張力
物質には固体、液体、気体の３態があり、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、物質の状態が決まってきます。分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなりますと、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなりますと、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて自由な世界に飛び出し、分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる気体の状態になります。
固体と気体の間に挟まれたような液体の状態では、分子を自由に動き回らせる運動エネ
ルギーと分子をしっかりと結び付けようとする分子間力が拮抗していますから、分子が自由に動き回りながら物質は容易に変形できますが、分子間力の強いしがらみによって分子同志はかなり束縛されています。分子間の距離が小さいほど分子間力は大きくなりますから、分子間の距離の総和が最小になり分子間力の総和が最大になるように、物質は全体として球状に変形します。分子同士で引き合う分子間力の大きい時には強い力で球状に変形しますし、分子の間に働く力の小さい時には外力に抗し切れずに物質は拡がってゆきます。
このように分子同士が引き合って生まれる力を表面張力と呼んでいます。液体が全く外力

80.00
N/ｍ

図4−5 水の表面張力

75.00

70.00

65.00

60.00

55.00
0

20

40

60

48

80

温度(℃) 100

を受けない時には表面張力により完全な球状にまとまりますが、地球上では地球の引力や空気の抵抗などの外力を受けますから、それらの外力と表面張力の釣り合いにより流線型
や水滴型や扁平型などに種々変形します。例えば、図 1−1 の写真で見られるように蛇口から滴り落ちる時に、蛇口を離れて間もない水滴は空気の抵抗をほとんど受けていませんか
らほとんど球状になっています。また、良く洗浄して乾燥させたガラスの表面に 1 滴の水を置きますと、球状になろうとする表面張力と水自体の重みにより供え餅のように若干つぶれた球状に変形します。
液体の状態では運動エネルギーと分子間力が拮抗していますが、当然、温度が上昇すれば運動エネルギーが大きくなりますから、分子間力が相殺されて小さくなります。そのため温度の変化に伴いこれら 2 つのエネルギーの釣り合いは変化します。物質の中の分子同士が引き合う力も変化しますから、図 4−5 のグラフで示すように 0〜100℃の温度範囲における水の表面張力には温度の上昇に伴って減少する傾向が見られます。さらに、表 4−3 に種々の物質の 20℃における表面張力を掲げておきますが、水が強い水素結合により一塊に絡み合って挙動しているために、水は比較的に大きな表面張力の値を持っています。
分子の動きは温度の低下に伴う運動エネルギーの減少によって緩慢になりますが、同時に分子量が大きくなるときにも緩慢になってしまいます。さらに、分子の動きは分子同士の絡み具合により影響されますから、分子の大きさや形にも影響されます。分子が元気良
く動き回れば、その集合した物質は流動性が高くなり、粘性が小さくなります。通常、粘性の大きさはポアズ（poise=0.1Pa･s）を単位とする粘度で表しますが、0〜100℃の温度範
囲における水とエタノールの粘度の変化を図 4−6 に示しておきます。液体の粘性が温度による運動エネルギーの変化ばかりでなく、分子の大きさや形など多くのことに影響されますから、その変化も単純な直線的な比例関係ではなくかなり複雑な変化曲線を示しています。さらに、表 4−3 には種々の物質の 20℃における粘性を比較のために掲げておきま
0.020
poise

図4−6 水とエタノールの粘度
0.015

0.010

水
エタノール

0.005

0.000
0

20

40

60

49

80

温度(℃)

100

表 4−3 種々の液体の表面張力と粘度

物質

分子式

表面張力（N/m）

粘度（poise）

ペンタン

C5H12

0.0024

ヘキサン

C6H14

18.4

0.0033

オクタン

C8H18

21.8

0.0054シクロヘキサン(CH2)625.3

0.0093

ベンゼン

C6H6

28.9

0.0065トルエン

C6H5CH3

28.4

0.0147

塩化メチル

CH3Cl

16.2

クロロホルム

CHCl3

27.1

0.0056

四塩化炭素

CCl4

26.8

0.0096クロロベンゼンC6H5Cl33.6

0.0080

二硫化炭素

CS2

32.3

0.0038

プロピルアミン

C3H7NH2

22.4

0.0035ジエチルアミン(C2H5)2NH

アニリン

C6H5NH2

42.9

0.0447

水

H2O

72.8

0.0100

メタノール

CH3OH

22.6

0.0059エタノール

C2H5OH

22.3

0.0119プロパノールC3H7OH

23.8

0.0226

ブタノール

C4H9OH

24.6

0.0295フェノール

C6H5OH

40.9

0.1274

蟻酸

HCOOH

37.6

0.0178酢酸

CH3COOH

27.6

0.0122

プロピオン酸C2H5COOH

26.7

0.0110酪酸

C3H7COOH

26.8

0.0154

蟻酸エチル

HCOOC2H5

23.6

0.0041

酢酸エチル

CH3COOC2H5

23.9

0.0045

プロピオン酸エチル

C2H5COOC2H5

24.2

0.0054酪酸エチル

C3H7COOC2H5

24.5

0.0067

安息香酸エチル

C6H5COOC2H5

35.5

0.0224ジエチルエーテルC2H5OC2H5

17.0

0.0024

アニソール

C6H5OCH335.2

0.0109

水銀

Hg

476.0

0.01550.003750すが、その値と物質の分子構造や分子量などとの相関性があまり見当たりません。蟻酸と酢酸とプロピオン酸と酪酸のように非常に構造も分子量も類似している同系列の物質の粘性を比較しても単純な比較ができません。

0℃では凍らない海の水
曲がった胡瓜と同じように、大きさが不揃いの胡瓜も箱に少量しか収納できませんから、産地から都市部の店頭まで輸送する時に当然輸送費が嵩み、店頭価格が割高になってしま
い、産地での商品価値を低くしています。最も小さなヘリウム分子から絹の繊維の蛋白質など非常に大きな分子まで分子の大きさは千差万別ですから、これらの分子が混ざり合う
ときには当然胡瓜のように分子の大きさが不揃いになり、分子の間の距離も異なります。
分子間力は式 4−4 で近似されるように距離に反比例しますから、2 種類以上の分子が混ざり合う時には分子間力に大きな影響を与え、結果として沸点や融点にも影響を及ぼします。
原子半径の異なる 2 種の金属が合金として混ざり合うと、大きさの不揃いな胡瓜を箱へ入れるようになりますから、両原子とも球形をしていますが、原子の間に隙間ができてしまい原子間距離が大きくなります。金属物質は分子の考え方を採ることができず明確な分子量Ｍも定義できませんが、金属原子の間に働く分子間力が当然小さくなり相対的に運動エネルギーが大きくなりますから、合金にすることにより融点が低くなると思います。例
えば錫原子は原子半径 0.1405nm の球形をしていますし、それよりも多くの陽子と電子を持
つ鉛原子は錫原子より若干大きな原子半径 0.1705nm の球形をしています。錫の中に少量の鉛を含む合金では、整然と規則的に並ぶ錫原子の間に大きな鉛原子が挟み込まれますから、金属原子間の距離が大きくなってしまいます。このとき鉛原子の割合が大きくなればなるほど平均的な金属原子間の距離は大きくなりますから、分子間力が小さくなりその合金の

340
融点（℃）

図4−7 半田（Pb-Sn合金）の融点

300
y=

x
2.1

+

2.0
11

260

y=

220

-1.5

x+

231
.

2

180
0

20

40

60

51

80

100
鉛成分（％）

融点は低くなります。鉛の中に少量の錫を含む合金でも整然と規則的に並ぶ鉛原子の間に小さな錫原子の周囲に隙間ができますから、同様に分子間力が小さくなりその合金の融点も低くなります。錫と鉛から作られるハンダ（半田）と呼ばれる合金の融点は図 4−7 に示すようにその混合の割合により直線的に変化します。錫も鉛も純粋な金属としては比較的低い 232℃と 328℃の融点を持っていますから、図に示すようにハンダが非常に低い融点を示します。この低融点の性質のためにハンダコテなどの小さな熱源で銅線や電子部品などを熔接することができ極めて便利ですから、古くから電化製品の製作に用いられてきました。
金属や合金には分子の概念を適用することができませんが、ハンダの融点とその成分の割合の間に見られる直線的な比例関係は大きさの異なる 2 種類の分子が混ざり合う場合にも期待されます。砂糖のような物質の水溶液においても、水の分子の間に異なる大きさの分子が紛れ込みますと、水の分子は整然と規則的に並ぶことが難しくなりますから、分子間力が小さくなり 0℃では氷になることができず融点(凝固点)が降下します。このとき砂糖の分子の数が多ければ多いほど水の分子は規則的になることが困難になりますから融点が低くなります。このような現象は種々の物質の中に他の物質を溶かし込むときに観測されますので、凝固点降下と呼び、物質を溶かすことによる融点(凝固点)の変化の大きさ（ΔT）
は式 4−7 に示すような関係で纏められています。ただし、溶かしている水などの溶媒の重量を w2、溶かしこむ物質の重量と分子量をそれぞれ w1 と M、とするときに比例定数 Kｆ
を凝固点降下度と呼んでいます。なお、濃度のあまり高くない溶液においてはこの凝固点降下度は、水などのような溶媒に固有の値を示します。

∆T = K f

1000 w1
Mw2∆T = K b

1000 w1
Mw2

式 4−7

また、砂糖のような物質の水溶液においても、分子間力よりも分子の運動エネルギーが大きくなると分子の間に働く分子間力のしがらみから開放されて、溶媒分子が自由な世界に飛び出してゆきます。しかし、異質の分子が溶媒の分子に混じって動き回っていますか
ら、溶媒分子がしがらみから開放されて飛び出す機会が減ってしまい、溶媒は気化し難くなり沸点の上昇をもたらします。この場合にも溶け込んでいる物質の量に比例して溶媒の沸点が上昇しますから、この現象を沸点上昇と呼んでいます。濃度のあまり高くない溶液
においては、物質を溶かすことによる沸点の上昇（ΔT）は式 4−7 に示すように凝固点降下の関係式と類似し、沸点上昇度と呼ばれる比例定数 Kb も溶媒に固有の値を示します。参考のために表 4−4 には代表的な溶媒の凝固点降下度（Kｆ）と沸点上昇度（Kｂ）との値をまとめておきます。前節で考えたように、沸点と分子量の間に相関関係が認められますが、異質の物質が混ざり込むときに現れる沸点上昇においても分子量の大小が影響を与えると思われます。代表的な 25 種の溶媒について分子量と沸点上昇度（Kｂ）の関係をグラフにした図 4−8 から、相関係数 0.906 の相関性を持つ直線的な比例関係のわずかにあることが52

伺えます。
表 4−4 各種溶媒の沸点上昇度と凝固点降下

分子量

沸点（℃）

Kb

凝固点（℃）

Kf

水

18.02

100.0

0.52

0.0

1.86

メタノール

32.04

65.0

0.88

エタノール

46.07

78.3

1.20

アセトン

58.08

56.5

1.73

蟻酸

46.02

100.6

2.40

8.6

2.77

ベンゼン

78.11

80.2

2.57

5.5

5.12

酢酸エチル

88.10

77.1

2.79

酢酸

60.05

118.1

3.07

16.7

3.90

クロロホルム119.5061.2

3.88

ニトロベンゼン123.11

210.9

5.27

5.7

6.90

ナフタリン

128.16

218.0

5.80

80.2

6.90

樟脳

152.23

209.0

6.09

178.0

40.00

溶媒

液体の状態では物質の中を分子が自由に動き回りますから、分子の形は沸点にあまり大きく反映しませんが、固体の状態では分子が整然と規則的に並びますから、分子の形が並び易さに大きく影響を与え融点に大きな違いが現れます。分子の大きさは平均的には分子量に比例しますから、分子間力もおおよそ分子量に比例し、さらに融点に影響を与えます。

50.0
温度(℃)

図4−8 分子凝固点降下と分子沸点上昇
(1)

40.0

分子沸点上昇（Kb)
分子凝固点降下（Kf)

30.0

(2)

20.0

Kf = 0.0482M + 1.1017
2
R = 0.9195

10.0
Kb= 0.0454M - 0.7301
R2 = 0.906
0.0
0

(4)

100

200

53

分子量

(5)

300

液体の中に異質の分子が混ざり込んだ溶液の場合にも、分子の大きさが分子の並び方に影響を与えますから、凝固点降下度も分子量に比例すると思われます。代表的な 20 種の溶媒の分子量と凝固点降下度(Kｆ)の関係を図 4−8 のグラフに描きますと、わずか 5 例を除けば相関係数 0.9195 の直線となり、非常に小さな比例定数を持つ直線的な比例関係が見えてきます。しかし、樟脳（図 4−8 の物質 1）、シクロヘキサン（図 4−8 の物質 2）、ジヒドロジ
シクロペンタジエノン、t−ブタノール（図 4−8 の物質 4）、ステアリン酸（図 4−8 の物質
5）の 5 種類の物質は例外的に相関性が認められません。前者の 3 種は環状で中空の構造の分子で分子量に比較して大きな形をしていますが、特に図 4−9 に示すジヒドロジシクロ
ペンタジエノンの凝固点降下度(Kｆ)は 92.0℃で非常に大きな値を示しています。t−ブタノールは小さく原子が緻密に固まった丸い形の分子であり、ステアリン酸は非常に長い形の分子ですから、分子量から期待される平均的な分子の大きさからは外れているのではないかと思われます。このことから種々の溶媒の凝固点降下度(Kｆ)はその分子の大きさに影響されている物と思われます。
海の水には多くの食塩が溶けていますから、凝固点降下の現象が起こります。結果として長期間にわたり気温が氷点下になる北極や南極に近い海でも海水はほとんど凍ることはありません。この現象を利用して氷に塩を混ぜますと塩により氷の表面で凝固点降下がおこり、急激に氷が融けますから混合物の温度が下がります。氷と塩の混ぜ方を工夫しますと−15℃程度まで冷やすことが出来ますから、砂糖を加えて甘くした牛乳と卵をこの方法
で冷やしながら攪拌しますと、アイスクリームを作る

H

オンザロックも 0℃より温度が下がりますからグラHスの外側に霜の凍り付くこともあります。また、式 4C−7 における比例定数の凝固点降下度(Kｆ)あるいは

H
Cことが出来ます。同じ現象によりウイスキーや焼酎の

H
C

C
H

C
H

C

その物質の分子量を実験的に求めることができます。

54

H
H
C
H

C

沸点上昇度(Kｂ)があらかじめ求められている場合には、溶液の融点 (凝固点)または沸点とその濃度から

C
H

O

C

H

H

図4−9
ジヒドロジシクロペンダジエノンの構造

5.

水と油

化学反応は恋愛ゲームの如し
A 子さんと B 君はそれぞれ広い東京にわびしく暮らしていましたが、二人は仕事の都合で同じ電車に乗るようになり毎日の出会いが始まりました。いつの日からか B 君は A 子さんに惹かれるようになりました。B 君の情熱が通じて、ついに二人は幸せな恋人として結ばれることになりました。この恋愛物語を振り返ってみると、A 子さんも B 君もわびしい生活をしていたためかなり精神的に不安定で恋人の欲しい状態にありました。また、偶然に二人が度々出会う機会に恵まれました。さらに、B 君の情熱的なエネルギーが A 子さんの心を動かし二人とも幸せになったのではないでしょうか。化学反応における出会いの反応はこの恋愛物語と極めてよく似ています。
A 子さんと B 君が電車の中で出会ったように、反応基質 A と B の分子が互いに衝突する機会が多いほど反応は速やかに進行します。この 2 種の分子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ます。ある体積の中の分子数を濃度と呼んでいますが、出会いの反応の速度はそれぞれ分子の濃度の積に比例します。ここで反応する基質 A の濃度を[A]、基質 B の濃度を[B]、反応速度定数をｋとするときに、このような出会いの反応の速度ｖは式 5−1 のようになります。

v = k[A]･[B]

式 5−1

さらに、この出会いの反応はそれぞれの分子 A と B の動き回る運動の速度にも比例します。冬の寒い日にはコタツに入って丸くなり動きたくないように、分子の運動も温度が上昇すると早くなり、温度が低くなると遅くなります。全宇宙を支配していると考えられる熱力学の 3 法則によりますと、絶対温度 0 度（約−273.16℃）では全ての分子は凍結して動かなくなると考えられています。このように反応の速度は温度が大きく影響し、高温なほど容易に反応が進行することを意味しています。
A 子さんと B 君が出会い結ばれてゆく場合とは反対に、出会う機会の多少には無関係に、結ばれていた A 子さんと B 君の間の微妙な関係が二人を引き裂き悲しい別れをもたらします。二人の性格のずれや些細な生活習慣の違いから生じる不平や不満が少しずつ積もり積もって精神的に不安定になり、二人を結び付け続けることができなくなるときに A 子
さんと B 君の間に悲しい別れが訪れます。反応基質 A が多ければどんどんと分解してゆき、すくなければ分解する量も少なくなりますが、基質以外の物質は関与しませんから、反応
基質 A の濃度を[A]、反応速度定数をｋとするときに、別れの反応とも考えられる分解反応の速度ｖは式 5−2 のようになります。

v= k[A]

式 5−2

A 子さんと B 君が出会い結ばれて幸せな二人となったり、結ばれている二人が寂しく

55

別れたりするように、物質も出会いの反応と別れの反応の 2 種類の化学反応により様々に変化して行きます。このように化学反応による物質の変化の過程は多くの点で恋愛ゲームと類似しているように思われます。

天秤のように鋭敏に傾く系の平衡
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、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。化学反応においても、反応の起こる前の系 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、進行してゆくと考えられます。系 A から系 B への反応が進行するときに乗り越えなければならないエネルギー的に不安定な中間の障壁あるいは峠と考えられる障害を活性化エネルギー（Ea1）と呼んでいますが、両系と活性化エネルギーの関係を図 5−1 に模式化した反応座標に示します。このとき黒線の山が高ければ高いほど大きな Ea1 を必要としますから、系 A から系 B への変化は遅くなり反応は進行し難くなります。付き合いを決心した後に A 子さんと B 君が平和で幸せな二人の生活を夢見て邁進するように、反応は峠を越えた後は安定な系 B に進行して行きます。逆に、結ばエネルギーれていた A 子さんと B 君が別れてお互いの束縛から解かれるように、系 B から系 A への反応も同じ
ように活性化エネルギー（Ea2）の峠を越えて進行します。このような系 A から系 B への変化の速さ
1

Ea1

Ea2

(速度定数 )k1 と活性化エネルギーEa の関係を
Arrhenius は式 5−3 に纏めました。また、逆反応の活性化エネルギーEa2 と反応速度定数ｋ2 の関係
も式 5−3 で表すことができます。ただし、R は気

系A

ΔG
系B

体定数、χは頻度因子、T は絶対温度で示す反応
反応座標温度を意味しています。
図5−1

k1 = χe

−

1

Ea
RT

k2 = χe−

反応座標とEa

2

Ea
RT

式 5−3

A 子さんと B 君のわびしい生活による精神的に不安定で恋人の欲しい気持ちが恋愛反応を成就する活力になったように、基質 A と B の反応の起こる前の系 A がエネルギー的に高くて不安定な場合には、峠を越すための活性化エネルギーが相対的に小さくなりますから反応が容易に進行します。ある活性化エネルギーを持つ反応において、式 5−3 の温度変化に対する反応速度定数の変化は図 5−2 のように表すことができ、温度を上げれば反応速度定数が大きくなりますから、基質 A と B の反応は加速され時間が多少短縮されます。

56

反応速度比1.3

図5−2 温度vs反応速度変化

1.2

1.1

1

0.9

0.8

体温

0

50

温度

100

系 A から系 B への反応とその逆反応におけるそれぞれの活性化エネルギーの差が自由エネルギー変化（ΔG）ですから、式 4−3 に代入すると両系のエンタルピー変化（ΔH）とエントロピー変化（ΔS）の間に式 5−4 のような関係を見ることができます。平衡反応
は原系から生成系への反応とその逆反応が相互に容易に進行する反応であり、その平衡定
数 K はそれそれの反応速度定数の比で表すことができますから、式 5−3 および式 5−4 より式 5−5 のような関係を導くことが出来ます。
⊿G = Ea2− Ea1 = ⊿H − T⊿S−k
K = 2 = χek1

Ea2 − Ea1
RT

= χe

−

式 5−4
∆G
RT

= χe

−

∆H −T∆S
RT

= χe

−

∆H ∆S
+
RT R

式 5−5

図5−3 平衡反応の成分比
100%
成分比
80%

60%

40%
系A
系B

20%

0%
-5

-4

-3

-2

-1
0
1
2
自由エネルギー変化(kcal/mol)

57

3

4

5

頻度因子χを 1 として、この式に自由エネルギー変化の値を代入しますと 27℃における系 A と系 B の平衡変化の割合は図 5−3 に示すような曲線となり、ΔG＝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の差が 1kcal/mol で平衡は約 3:1 まで偏り、3kcal/mol では 99.4％までは平衡が偏りますからほとんど反応が完結してしまいます。このように極めてわずかな自由エネルギーの差により系の平衡の割合は鋭敏に大きく変化しますが、これはあたかもわずかな重さの違いで大きく傾く天秤に似ています。

水の中での物質の挙動
一般に、物質を水や油などの液体に溶かす時に、溶け込む物質を溶質、溶かす液体を溶
媒、溶けて溶質と溶媒が均質に混合したものを溶液と呼んでいますが、溶液は微視的には溶媒の分子の間に溶質の分子が均一に入り込んだ混合物です。溶質が溶媒に溶けて溶液になるときには、溶質の分子も溶媒の分子も結合エネルギーの変化を伴う化学反応を全く起こしませんから、それぞれの分子が持つエンタルピーの変化（ΔH）はありませんが、溶質
同士と溶媒同士の分子間力が減少し、溶質と溶媒の間に新しい分子間力が生まれますから、系全体としてエンタルピーが変化します。同時に、溶質が溶媒の中に入り込んで拡散しま
すから、溶質と溶媒のエントロピー変化（ΔＳ）が増大して安定化します。このとき、溶質が溶媒に溶ける現象は溶ける前後における純粋な溶質と溶媒の系と溶液の系との間の平衡の変化ですから、式 5−5 に示す平衡定数Ｋの値が溶質の溶け易さを意味する溶解度に相当します。溶液になるときに溶媒と溶質の分子間に働く種々の分子間力と溶質と溶媒の拡散による安定化とそのときの温度（T）の 3 つの要素が溶質の溶解に大きく影響します。
溶質と溶媒が混合して溶液になる過程でこれらの 3 つの要素が影響を与えますが、中でも分子間力は溶質や溶媒の性質により変化します。第 4 章で考えたように、分子間力は直接結合していない原子の間に電子の交換に由来する van der Waals 力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ですから、電荷の偏りの大きい分子では大きな分子間力となります。炭化水素は電荷の偏りが少ないために弱い
分子間力しか示しませんが、酸素原子や窒素原子を含む分子では結合の間で電子が大きく偏っていますから、比較的大きな分子間力を示します。特に、酸素原子や窒素原子の間で水素原子が両原子に挟まるように相互作用する水素結合は分子間力として分子の間に大きな寄与を持っています。中でも、水は沢山のくの字型に曲がった水分子が強い水素結合により互いに引き付け合い、3 次元の網目状に絡み合った一塊として挙動します。
分子間力の大きな溶質は分子間力による安定化が失われますからなかなか拡散してゆきませんが、分子間力の小さな溶質は容易に分子がバラバラになって拡散して行きます。
また、分子間力の小さな溶媒の中に溶質分子が紛れ込んでも分子間力の減少による大きな不安定化は起こりませんが、分子間力の大きな溶媒の中に溶質分子が紛れ込む時には分子間力の大きな減少による大きな不安定化が起こります。このように、分子の間に働く分子間力の大きさは溶質と溶媒によりそれぞれ異なりますから、溶質と溶媒の間には相性の良58

し悪しを生じます。このことから、分子内に電荷の偏りの少ない分子間力の小さな油脂類
が炭素−炭素結合や炭素−水素結合を多く持つ分子間力の小さな油の中に溶け易いと思われます。
しかし、水は水素結合などの強い分子間力により、水分子が絡み合って一塊としての挙動をとると考えられますから、その 3 次元的な網目の中にほかの溶質が入り込むためには、網目の隙間を見つけて入り込むか水素結合を切って入り込まなくてはなりません。3 次元的な水素結合の網目を切れば、強い分子間力による安定化を犠牲にしなければなりません
から、エンタルピー変化（ΔH）が増大してしまいます。当然、エントロピーの増大による安定化はあるものの、溶解度Ｋの値は小さくなり溶質が溶け難くなります。
溶質の分子が非常に小さい場合には、その分子は網目の隙間に入り込める可能性があると考えられます。そのような場合には、水素結合によるエネルギーの安定化を犠牲にする
ことなく、エントロピーの増大による安定化があるものと思われますから水に溶け込んでゆくと思われます。一般に原子の数が少なく分子量の小さな分子は気体で存在することが多いため、はじめに水に対する気体の溶解度を調べてみましょう。表 5−1 には 20℃、1気圧における気体の溶解度をまとめておきました。小さな元素の水素やヘリウムで出来た水素やヘリウムの分子は最も小さな分子と考えられますが、そのような小さな分子でもこの表から分かるように水に対してほとんど溶けませんから、如何なる分子を取表 5−1 水に対する気体の溶解度り込むためにも水の分子の水素結合による隙間は充分な大きさを持っていな

気体物質

溶解度（mg/L）

いことになり、水素結合の網目を切るこ

水素

H2

0.17

となく溶質が水の中に入り込むことは

ヘリウム

He

0.15

出来ないことになります。

アンモニア

NH3

526000.00

ネオン

Ne

0.98

アセチレン

C2H2

119.31

窒素

N2

2.37

エチレン

C2H4

15.36

酸素

O2

4.47

硫化水素

H2S

3846.00

アルゴン

Ar

6.39

二酸化炭素

CO2

168.06酸化窒素

NO2

117.11

二酸化硫黄

SO2112800.00

クリプトン

Kr

28.80

キセノン

Xe

72.97

充分な大きさの隙間がないのであれ
ば、水の 3 次元的な網目の中に溶質の分子が入り込むためには、水素結合を切ら
ねばなりません。当然、エントロピーの増大による安定化はあるものの、水素結合によるエネルギーの安定化を犠牲にしなければなりません。水と水素結合を作らない溶質の分子は水の水素結合の網目の中に入り込んでも、その水素結合を切ってしまうだけで不安定になってしまいます。表 5−1 に挙げた気体のアセチレンやエチレンのほかにも、液体の状態のベンゼンやその部分構造を持つ

59

ものも、炭素＝炭素 2 重結合、炭素―炭素 3 重結合を持つ多くの液体の化合物も、多重結合を持たない炭化水素も全く水素結合をすることが出来ませんし、イオンに解離することも極めて困難です。このような溶質は水の中に入っても水素結合を切って不安定になってしまい、馴染むことが出来ず溶けることが出来ませんから、水の網目状の水素結合の切断が最小になるように水から遊離して、仕方なく最も表面積の小さな球状の油滴となるかあ
るいは 2 層に分離してしまいます。
水素結合が本質的に酸からの解離による水素陽イオンの供給と受け取る塩基との間の水素陽イオンの遣り取りにより、酸の水素原子が塩基分子に結合を瞬時にしてゆく交換反応であるため、塩基として働くことの出来る 1 対の電子を持つ分子は水と水素結合をする
ことが出来ます。また、水素陽イオンを供給できる分子も水と水素結合をすることが出来ます。アルコールなどの酸素−水素結合を持つ物質は両方の性質を持っていますから、特に水と強い水素結合をします。3 次元的な網目の中に溶質の分子が入り込むために、水の水素結合の切断により不安定化しますが、アルコールなどの溶質と新しい水素結合をする
ことによりエネルギーの安定化が起こります。このため、水素結合による安定化をあまり犠牲にせず、エントロピーの増大による安定化が支配的になり、3 次元的な網目の中に水素結合できるアルコールなどの溶質の分子は入り込むことができます。結果として水素結合しやすい酸素−水素結合、窒素−水素結合を持つ物質は水に溶け易い性質を示します。
水は水素結合をしているために、水を構成している水素原子は若干ながら正電荷を帯び、酸素原子は同じく僅かに負電荷を帯びています。一方、イオン結合性の物質は水の中で陽

表 5−2 イオン性の物質の水に対する溶解度 (g/100g)
Cl−

Br−

NO3−

OH−

CN−

CO32−

HCO3−

HPO42−

S2−

SO42−

Na+

36

47.5

88

63.5

37

21.5

9.6

7.7

15.8

19.8

+

34

65.2

31.6

112

71.5

52.5

24.9

159

2+

54.5

96.5

42.1

Ca2+

74.5

143

56.39

K

Mg

26.2
0.17

4x10−3

9.2

3.89

−3

73

9x10−445.6

7x10−6

2+

35.7

Al3+

47.3

2+

37.6

Fe3+

91.9

46.6

2+

34.6

50

3x10−4
−3

Ba
Fe

Co

104
53.5

2+

39.6

56.7

48.5

1x10

Cu2+

41.5

55.9

55.58

3x10−5

117.5

−4

Ni

Zn

2+

367

81.7

107

4x10

2x10

0.17

2x10−20.208
2x10−226.7

4x10−39x10

7x10−526.5

4x10−4

26.5

−3

37.8
3x10−5

5x10

-5

20.7
53.8

60

イオンと陰イオンに解離し、両イオンはそれぞれ電荷を帯びます。この電荷を帯びたイオンが正負に若干電荷を帯びた網目の中に入り込んでも、そのイオンの電荷が水の水素原子と酸素原子上に帯電したわずかな電荷により打ち消されるように分散されるために安定化し、水素結合を切ることによるエネルギーの損失を補います。電荷を帯びたイオンは水の中でその電荷を分散することが出来るために、水酸化ナトリウム、塩化水素、硫酸、食塩、塩化マグネシウムなどのイオン結合性の物質は安定化し水に溶けます。
金属元素を含む物質は多くの場合にイオンになりやすく、水の中にイオンとして溶けてゆきます。しかし、金属イオンとその相手となる陰イオンの性質により、表 5−2 に示す
ように水に対する溶け易さは異なります。一般に、金属イオンと硝酸あるいは塩酸で生成する硝酸塩や塩酸塩は非常によく水に溶けますが、硫酸やりん酸や炭酸の塩類はあまり溶けません。また、ほとんどのカリウム（K）、ナトリウム（Na）などのアルカリ金属元素の塩類はよく水に溶けますが、マグネシウム（Mg）やカルシウム（Ca）やバリウム（Ba）などのアルカリ土類金属元素の塩は若干溶解性が悪くなります。さらに、鉄（Fe）やアルミニウム（Al）の塩類はかなり溶け難くなり、酸化アルミニウムや酸化ケイ素はイオン性が少ないためほとんど水に溶けません。また表 5−1 に挙げた、二酸化炭素、酸化窒素、アン
モニア、二酸化硫黄は水と反応して炭酸、硝酸、水酸化アンモニウム、亜硫酸などの酸や
表 5−3 代表的な物質の溶解度の温度変化

物質名

0℃

20℃

40℃

60℃

80℃

100℃

ホウ酸

2.59

4.8

8.02

12.9

19.11

28.7

炭酸水素ナトリウム

6.9

9.6

12.7

16.4

109

129

174

水酸化ナトリウム
食塩

35.7

36

36.6

37.3

38.4

39.8

塩化カリウム

27.6

34

40

45.5

51.1

56.7

塩化アンモニウム

29.4

37.2

45.8

55.2

65.6

77.3

塩化マグネシウム

52.8

54.5

57.5

61

66

73

塩化第 2 鉄

74.4

91.9

硫酸第 2 銅

14.3

20.7

28.5

40

55

75.4

カリ明礬

3

6

13.6

35.3

酢酸ナトリウム

2.75

3.4

安息香酸

0.17

0.29

0.56

1.16

2.8

6.46

コハク酸

2.8

6.9

16.2

35.8

70.8

122.9

グリシン

141.8

225.2

331.6

452.6

671.7

グルタミン酸

3.41

7.17

15.08

31.69

140

ブドウ糖

9.2

22.6

43.3

78.3

61

154

125

185

塩基に変化するため、水の中でイオン化して非常に高い水溶性を示します。
溶質が溶媒に溶ける現象は溶ける前後における純粋な溶質と溶媒の系と溶液の系との間の平衡の変化ですから、溶質の溶け易さを意味する溶解度Ｋは式 5−5 に示す関係にあり、エンタルピー変化（ΔH）は溶液になるときに溶媒と溶質の分子間に働く種々の分子間力の変化ですし、エントロピー変化（ΔS）は溶質と溶媒の拡散による変化です。ここでエント
ロピー変化は溶液の温度に関係しませんが、エンタルピー変化はそのときの温度（T）に反比例するように溶解に大きく影響します。表 5−3 に掲げた代表的な物質において全て溶
解度が温度の上昇とともに増大しますが、溶質により分子間力の影響の仕方が異なります
から、その温度に対する溶解度の変化は溶質により個々に異なります。例えば、食塩の溶
解度は温度の上昇によりほとんど増大しませんが、同じようにイオン結合で結ばれている
塩化カリウムや塩化マグネシウムは 0℃から 100℃までに 2 倍ほど溶解度が増大します。また、コハク酸やブドウ糖では 100℃の温度変化の間に 20 倍以上の増大が認められます。アイスコーヒーに砂糖を溶かすことが難しいために、しばしば液状のシロップを用意します
が、温度（Ｔ）が高くなれば溶解度は大きくなりますから、ホットコーヒーには砂糖を入れても簡単に溶けてくれます。

酸と塩基は水素陽イオンを出すものと受け取るもの
酸性−塩基性の概念は物質の重要な化学的性質の一つで、多くの化学反応を支配する要素です。デンマークの化学者の Brønsted は水素の陽イオンを出す性質を酸性、水素の陽イオンを受け取る性質を塩基性と定義しています。この定義によれば酸性物質（HA）は水素陽イオン（H+）と共役塩基（A−）に解離する物質ですし、塩基性物質（B）は水素陽イオ
ン（H+）と結ばれて共役酸（HB＋）となる物質ですから、図 5−4 のような一般式で表すことができます。また、水素原子は１個の軌道（1s 軌道）に１個の電子を持っていますが、その電子が失われた水素陽イオンは空の軌道（1s 軌道）しか持って居ないことになります。
このように空の軌道を持つ分子の物質は水の結合していない電子対の 2 個の電子を拝

HA

H

+ A

借して配位結合しますから、そのとき水素陽B +イオンを放出します。空の軌道を持つ分子自体では水素陽イオンを出さなくても、水を介して酸性物質として振舞います。さらに、こ

H

HB

図5−4

酸･塩基の一般式のように空の軌道を持つ分子はアンモニアのように結合していない電子対を持っている分子から電子対の 2 個の電子を拝借して配位結合しますが、この反応は酸性物質と塩基性物質の間に起こる酸･塩基反応と本質的に異なりません。そのため、Lewis はこのように空の軌道を持っていて電子対の 2 個の電子を拝借して受け取る性質を酸性、電子対を供給する性質を塩基性と拡張して定義しました。この定義に従えば、全く水素陽イオンの関与しない物質に対してまで酸性と塩基性の概念を拡張

62

でき、水以外の溶媒の中での酸･塩基反応についても考えることができるようになります。
酸性物質（HA）は水素陽イオン（H+）を解離するとともに共役塩基（A−）と総称される物質が残りますから、この酸性物質の反応は結ばれていた A 子さんと B 君の間の悲しい
別れの反応です。ここで生じた共役塩基は水素陽イオンを受け取ってもとの酸性物質に戻る塩基の性質を持っており、この共役塩基の反応は A 子さんと B 君が結ばれるような出合いの反応です。この酸性物質の系における別れの反応と出会いの反応は互いに逆反応ですから、酸性物質から水素陽イオンの解離する反応と水素陽イオンを受け取って酸性物質を形成する反応の反応速度定数をそれぞれ−ka および kｂとするときに、酸性物質の減少する
速度ｖは式 5−2 と式 5−1 を組み合わせた式 5−6 で表すことができます。さらに、平衡の状態においては反応の速度を 0 と考えることができますから、酸性物質の反応を表す式
5−6 から式 5−7 を導くことができます。

v=-ka[HA]+kb[H+][A-]ka[H+][A-]
KHA=
=
kb
[HA]
[HA]
[H+]=KHA[A-]
pKa=-log(KHA)

式 5−6
式 5−7
式 5−8
式 5−9

ここで導かれた解離定数 KHA は酸性物質の解離反応の平衡定数を意味し、式 5−5 の関係が成り立ちますから温度の上昇に伴い増大します。また、式 5−7 は水素陽イオンの濃度を表す式 5−8 に変形することができます。多くの酸性物質の中には極めて大きな解離定数を持つものと極めて小さな解離定数を持つものが有りますから、便宜的に式 5−9 のよ
うに pKa を定義して酸の強さを表す尺度にしています。表 5−4 には代表的な酸性物質の室温における pKa をまとめて掲げておきます。例えば、代表的な酸性物質の硫酸と酢酸のpKa はそれぞれ−5.20 と 4.75 ですから、硫酸はほとんど完全に解離しており、酢酸はわず
か 0.3％しか解離していないことが導かれます。このように種々の酸性物質により水素陽イ
オンの解離し易さが異なりますから、酸性の強さが大きく異なり、pKa の値が小さいほど強い酸性を示します。
また、塩基性物質（B）は水素陽イオンを受け取って共役酸（HB+）と総称される物質を生じますが、この共役酸は水素陽イオンを解離してもとの塩基性物質に戻る酸の性質を持っています。しかもこの塩基性物質の出会いの反応と別れの反応は互いに逆反応ですから、塩基性物質が水素陽イオンを受け取る反応と水素陽イオンを解離して塩基性物質を形成する反応の反応速度定数をそれぞれ−kｂおよび ka とするときに、塩基性の反応をする時の物質の減少する速度ｖは式 5−6 と同じように式 5−10 で表すことができます。
しかも、

63

表 5−4 酸の pKa（25℃）
物質

酸

pKa

共役塩基

塩酸

HCl

Cl−

−7.00

硫酸

H2SO4

HSO4−

−5.20

硝酸

HNO3

NO3−

−1.40

2−

1.92

−

硫酸

HSO4

りん酸

H3PO4

SO4

H2PO4−

2.12

−

蟻酸

HCOOH

HCOO

3.75

安息香酸

C6H5COOH

C6H5COO−

4.19

酢酸

CH3COOH

CH3COO−

4.75

炭酸

H2CO3

HCO3

硫化水素

H2S

HS−

りん酸

H2PO4−

HPO4

−

6.37
7.04

2−

7.21

−

シアン化水素

HCN

CN

9.10

ホウ酸

H3BO3

H2BO3−

9.14

−

フェノール

C6H5OH

C6H5O

9.89

炭酸

HCO3−

CO32−

10.25

2−

11.96

硫化水素

HS−

S
2−

りん酸

HPO4

ホウ酸

H2BO3−

ホウ酸

2−

HBO3

3−

12.67

HBO32−

12.74

PO4

BO3

3−

13.80

−

15.00

メタノール

CH3OH

CH3O

水

H2O

OH−

15.70
−

アセトン

CH3COCH3

CH3COCH2

アンモニア

NH3

NH2−

36.00

ベンゼン

C6H6

C6H5−

43.00

20.00

平衡の状態においては反応の速度は 0 と考えることができますから、塩基性物質の反応を表す式 5−10 から式 5−11 を導くことができます。塩基性物質の反応における共役酸を酸性物質と考えれば、ここで導かれた塩基性物質に対する式 5−11 は酸性物質に対して導かれた式 5−7 と全く同じ関係ですから、式 5−12 が水素陽イオンの濃度を表しますし、酸性物質と同じように pKa で塩基性物質の強さを表すことができます。
表 5−5 には代表的な塩基性物質の共役酸の pKa をまとめて掲げておきますが、代表的

64

表 5−5 塩基性物質の共役酸の pKa（25℃）
物質

共役酸

pKa

塩基

ピロール

C4H6N+

C4H5N

−2.9

水

H3O+

H2O

−1.7

尿素

H2NCONH3+

アセトアミドCH3CONH3H2NCONH2+

CH3CONH2グルタミン酸HOOC(CH2)2CH(COOH)NH3

プリン

C5H6N42+

アラニン

0.1

+

0.63
−

HOOC(CH2)2CH(COO )NH3+

C5H5N4+

CH3CH(COOH)NH3+

2.3

CH3CH(COO−)NH3

2+

アデニン

C5H4N4NH3C5H3N4NH3グルタミン酸HOOC(CH2)2CH(COO−)NH3+

2.13

+

+

2.35
4.12

−

OOC(CH2)2CH(COO−)NH3+

4.31

C6H5NH2

4.63

H2N(CH2)4CH(COO−)NH3+

5.05

+

C5H5N

5.25

イミダゾールC3H5N2+C3H4N2

6.95

プリン

C5H5N4+C5H4N4

8.96

NH3

9.25

(CH3)3N

9.81

+

アニリン

C6H5NH3リジン

H3N+(CH2)4CH(COOH)NH3+

ピリジン

アンモニア

C5H6N

NH4

+

+

トリメチルアミン (CH3)3NH
アデニン

C5H3N4NH3+C5H3N4NH2−

リジン

H2N(CH2)4CH(COO )NH3メチルアミン

CH3NH3+ジメチルアミン
イミダゾール(CH3)2NH2++C3H4N29.83−

H2N(CH2)4CH(COO )NH２

10.53

CH3NH2

10.66(CH3)2NH

10.73

C3H4N2v=-kb[H+][B]+ka[HB+]ka[H+][B]
KHB+=
=
[HB+]
kb
[HB+]
+
[H ]=KHB+
[B]

−

14.3
式 5−10
式 5−11
式 5−12な塩基性物質のアンモニアとアニリンの共役酸の pKa はそれぞれ 9.25 と 4.63 ですから、アンモニアは水素陽イオンを受け取ってほとんど完全に共役酸になっていますが、アニリン
は酸性条件のときにのみ水素陽イオンと結び付きます。このように種々の塩基性物質により水素陽イオンとの結び付き易さが異なりますから、塩基性の強さが大きく異なり、pKaの値が大きいほど強い塩基性を示します。
65

酸にも塩基にもなる水
Brønsted の定義によれば酸性物質（HA）は水素陽イオン（H+）と共役塩基（A−）に解離する物質ですし、塩基性物質（B）は水素陽イオン（H+）と結ばれて共役酸（BH＋）を生成する物質ですから、酸と塩基の反応は水素陽イオンの遣り取りと考えることが出来ます。酸性物質(HA)と塩基性物質(B) を混合しますと、対応する共役塩基と共役酸が結ばれた塩（HB＋･A−）を生成しますが、一つの系内のことですから両物質の水素陽イオン濃度は等しくなります。そのため、式 5−8 と式 5−12 から式 5−13 を導くことができ、両物質が反応した時の各成分の濃度の割合を表します。この式の左辺の分子と分母はそれぞれ塩の濃度と原系の酸性物質と塩基性物質の濃度を示しています。

[BH+][A-]
KHA
=
KHB+
[B][HA]

式 5−13

例えば図 5−5 に示すように、代表的な酸性物質として知られる塩化水素と塩基性物質として知られるアンモニアは水素陽イオンの遣り取りの活性化エネルギーが極めて小さく、速やかに水素陽イオンは移動して酸−塩基の反応が進行します。この時、塩化水素は水素陽イオンと塩素イオンに解離して、水素陽イオンを供給します。同時にアンモニアは水素陽イオンを受け取りアンモニウムイオンとなります。塩化水素とアンモニアの pKa はそれ
ぞれ−7.00 と 9.25 ですから、これらの値を式 5−13 に代入すれば、原系の塩化水素とアンモニアに対して生成する塩化アンモニウムの割合は 1016.25 となります。このことは両物質が完全に反応して塩化アンモニウ
ムが塩として生成することを意味しています。これに対して弱い酸性物質の酢酸と弱い塩基性物質のア
ニリンの反応では、pKa がそれぞれ4.75 と 4.63 ですから、原系の両物質に対する生成してくる反応生成物
0.08の比は 10

R

R
H

N

X

N

H
H

H

X

H
H

R=H:アンモニア
R=C6H5:アニリン

図5−5

X=Cl:塩化水素
X=OCOCH3:酢酸

酸性物質と塩基性物質の反応例となりほぼ半分しか反応しないことが分かります。
水の pKa は 15.7 ですから、図 5−6 に示すように非常にわずかながら水素陽イオンを解離する弱い酸性物質の性質を示します。同時に、共役酸としての水の pKa が−1.7 と報告されていますから、非常に弱いながら塩基性物質としても振舞います。例えば式 5−14 に示すように、アンモニ
アを水に溶かしますと、水は酸性物質

H 2O + H
HO + H

H 3O
H 2O
図5−6

として水素陽イオンを放出して水酸

66

pKa:-1.7
pKa:15.7

水の解離平衡化アンモニウム（NH4OH）をわずかながら生成します。また、硫酸の pKa は水よりもはる
かに小さな値を示していますから、硫酸を水に溶かしますと式 5−15 のような関係を導くことができ、硫酸は完全に水素陽イオンと硫酸水素イオンに解離しますが、水はもはや酸性物質として水素陽イオンをほとんど放出することができません。さらに、硫酸の pKa は水の共役酸のヒドロニウムイオン（H3O+）よりも小さな値を示していますから、式 5−16に示されるように硫酸が解離して水素陽イオンを放出すると共に水は塩基性物質として振舞い、共役酸のヒドロニウムイオンを生成します。このことから水は相手の物質により酸性物質としても塩基性物質としても働く特異な物質と考えられます。
このように酸と塩基の関係は相対的なものですから、ある物質が 2 種類の物質と混ざり合う時に、一方の物質に対しては酸性を示し、他方の物質に対しては酸性をもはや示すことが出来なくなります。酸性物質（HA）は水素陽イオン（H+）と共役塩基（A−）に解離しますが、解離定数 KHA はこの解離反応の平衡定数を意味します。同じように塩基性物質（B）
は水素陽イオン（H+）と結ばれて共役酸（BH＋）を生成しますが、解離定数 KHB+もこの解離反応の平衡定数を意味します。平衡定数が式 5−5 で表される関係を持っていますから、酸性物質と塩基性物質の解離定数は温度に伴い変化します。そのため、温度が上がりますと酸性が強くなることになります。

[H2O][NH3]=[OH-][NH4+][H2O][HSO4-][OH-][H2SO4][H2O][H2SO4][H3O+][HSO4-]

K NH +

=

4

K H2O
=
=

10-9.25
10

K H SO2

4=-15.70= 106.45

105.2020.90=
10-15.70K H2O

10K H O+

101.703=

K H2SO410

5.20= 10-3.50

式 5−14式 5−15式 5−16

仲の悪い水と油性格の相容れない仲の悪い人の間柄を水と油の関係と例えてきたように、水の中に入り込んでも馴染むことができず、油滴になったり 2 層に分離してしまう物質を油と呼んでいます。このような油を化学的に大別しますと 3 種類の物質が日常生活に深く関わっています。大豆油やごま油や菜種油などの植物油も牛脂や豚脂や鯨油や魚油などの動物油も種々の脂肪酸のグリセリンエステルで、人間の重要な栄養となる食用の油です。また、ミカンやレモンの皮に傷をつけると飛び出す黄色のレモンオイルや油絵の具を溶くのに用いられるテレピン油や人間の身体に関係の深いコレステロールなどの精油成分は炭素数の多い炭化水素やアルコール類です。さらに、中東やメキシコやアラスカや北海など世界各地の地中から採掘される石油とそれから製造されるガソリンや軽油や灯油や重油などの石油製品

67

は炭素原子と水素原子で構成される種々の炭化水素の油です。
グリセリンは図 5−7 に示すように分子内に 3 つの水酸基（OH）を持っており水と水素結合できますから、一塊になった水の中に入り込んでもエンタルピー的な損失がなく極めて水に良く溶けます。しかし、植物油や動物油などの脂肪は炭素数 13 個以上の長い炭化水素の鎖を持つ脂肪酸とグリセリンの水酸基（OH）がエステルの形で結合していますから、炭化水素の部分の割合が分子中で高くなり、その上に水との水素結合のできる水酸基がなくなります。レモンオイルには主にリモネンが、またテレピン油には主にピネンが含まれていますがいずれもモノテルペン類と呼ばれる 10 個の炭素原子を含む炭化水素物質です。
さらに、コレステロールは炭素数 27 個の炭化水素部分に 1 個の水酸基が結合したアルコー
ル類ですから、ほとんどアルコールの性質が現れません。石油製品はいずれも炭化水素ですから、ほとんど水と水素結合して安定化することができません。このように種々の油の性質を持つ物質に共通した特徴はその分子の中に多くの炭素−炭素結合と炭素−水素結合を含み、炭化水素が分子の大きな部分を占めています。
炭化水素が分子の大きな部分を占める油はそれぞれの原子上にほとんど電荷を持っていませんから、それらの分子全体もほとんど電荷の偏りを持っていません。当然、このよ
うな電荷の偏りのない分子は水分子の電荷を持った部分に引き付けられることも反発することもありません。水は分子の間に働く分子間力の他に約 6kcal/mol と見積もられている
水素結合により、沢山のくの字型に曲がった水分子が互いに強く引き付け合い、3 次元の網目状に絡まった構造の一塊として挙動すると考えられます。分子が水素結合により引き付けあい一塊になっている水の中に、引き付けあうこともない余所者の分子が割り込もうとしても、エントロピーの増大による安定化はあるものの、水素結合を切らねばなりませ
O
O

OH
H2 C

H2 C

CH O

CH OH

O

OH
グリセリン
CH3

H3C

CH2
CH2
C
CH3H
C

ピネン

C

(CH2)n CH3

C(CH2)n CH3O

脂肪（n=12〜16)

CH3

C
CH

(CH2)n CH3
O

H2 C

H2 C

HC

C

C
H2C
H2C

CH
CH

CH2

C
H2C

CH3

リモネン

図5−7

H3C

H2
C

CH2
H2 CHCH
3
C
CH H2C
CH3
C
H2 C
CH
H2 CH3
CH2
CH
CH
C
CH3
C
C
H2 C
CH
H2
CH2
C
CH
コレステロール
C
HO
C
H2
H

日常生活と関係の深い油脂成分
68

んから水素結合によるエネルギーの安定化を犠牲にしなければなりません。水と水素結合を作らない溶質の分子は水の水素結合の網目の中に入り込んでも、その水素結合を切ってしまうだけで不安定になってしまいます。仲良しの仲間は一緒になって遊びますが、仲良
しでない人とは遊ぶこともなく仲間はずれにします。水も電荷を持ったイオンや電荷の偏りを持ち水素結合しやすい分子とは仲良く溶け合いますが、電荷の偏りを持たない分子は仲間になることができませんから、水が小突き回すように阻害します。
結合上に電荷の偏りの少ない炭化水素などの分子は水素結合をすることが出来ません
し、イオンに解離することも極めて困難ですから、水の中に入っても水素結合を切って不安定になってしまい、馴染むことが出来ず溶けることが出来ません。水の網目状の水素結合の切断が最小になるように水から遊離して、仕方なく最も表面積の小さな球状の油滴となるかあるいは 2 層に分離してしまいます。炭化水素が分子の大きな部分を占めている物
質はこのように水の中に入り込んでも馴染むことができませんから、油滴になったり 2 層に分離してしまう油の性質を示します。例えば、油の多く入ったラーメンの汁は油が上に浮いて 2 層に分かれます。また、フレンチドレッシングソースは塩と胡椒とお酢とサラダ油を混ぜただけのものですから、サラダに掛ける寸前に良く掻き混ぜなければ直ぐに 2 層に分離してしまいます。
このように水と油は分離して油滴になったり 2 層に分離しますが、水と油が混在する中に溶質を溶かしますと、水と油のいずれの溶媒に溶けるかは溶質の性質により異なります。
酸素−水素結合、窒素−水素結合を持つために水と水素結合しやい溶質やイオン結合性の溶質は水とよく馴染みますから、油に溶けるよりむしろ水に溶け易い性質を示します。反
対に炭化水素が分子の大きな部分を占める溶質は電荷の偏りを持ちませんから、水の中に入り込んでも水の水素結合を切断するために馴染むことができずに、水から小突き回されるように阻害され、油の中に逃げ込んできます。油の中ではエンタルピー的には弱い安定化しか起こりませんが、溶質の油の中への拡散によるエントロピー的安定化がありますか
ら、油とは別段喧嘩することもなく仲良くでき、水に溶けるよりむしろ油に溶け易い性質を示します。例えば柑橘系の果物の香り成分などは油によく溶けますからレモンオイルとして黄色の溶液になります。カレー
粉はウコンの仲間のターメリックという植物の黄色い色素でカレー独特の色を作っていますが、その黄色の色素クルクミン
はあまり水に溶けませんが、油には良く溶けます。そのためカレーライスの後のお皿を水で洗っても簡単には黄色の色素を洗い落とすことが出来ません。特に、ポリエチレンなどのプラスティックは液体ではありませんが電荷の偏りを持たない油の仲間ですから、プラスティックの器に付いたカレーの黄色い
汚れは容易に洗い落とすことができません。また、トマトの赤い色素リコピンも水よりは油と仲良しですから、グーラッシュ

69

図5−8

分液ロートの略図

ズッペのようにトマトの入ったスープにはリコピンで着色した赤い油が浮いてきます。
水と油は昔から仲違いしていましたが、水と仲の良い物質も油と仲が悪く、水と仲の悪い物質は油との仲良しです。仲が良ければ互いに混ざり合って仲間を作るように溶け込んでいきますが、仲が悪ければ 2 層に分かれてゆきます。社会の関係も水と油の関係も同じ
仲良し同士です。この仲良し同士の関係を利用しますと、混合した多くの物質を油の仲間と水の仲良しに分けることができますから、この性質を利用した図 5−8 に示す分液ロー
トなどの装置や道具で製薬工業や化学の実験室では物質の単離や精製の操作をしています。

油の仲間を水の仲間にする石鹸
炭化水素が分子の大きな部分を占める油はそれぞれの原子上にほとんど電荷を持っていませんから、それらの分子全体もほとんど電荷の偏りを持っていません。水は分子の間に働く分子間力の他に約 6kcal/mol と見積もられている水素結合により、沢山のくの字型に曲がった水分子が互いに強く引き付け合い、3 次元の網目状に絡まった構造の一塊として挙動すると考えられます。このような水と油は仲違いしていますが、同じように水と仲の良い物質は油と仲が悪く、水と仲の悪い物質は油と仲良しです。仲が良ければ互いに混ざり合って仲間を作るように溶け込んでいきますが、仲が悪ければ 2 層に分かれてゆきます。人間関係も水と油の関係も同じ仲良し同士です。
水と仲良しの部分構造と仲の悪い部分構造を同一の分子の中に持つ物質を水の中に混ぜ込むとその挙動は複雑になります。水と仲良しの部分が水と手を繋ぐように外側に並んで膜が作られ、内側が油と馴染み深く、外側が水と馴染み深い膜となります。このような
1 重膜の風船が大きな水の塊の中に出来ると、あたかもフラスコのような小さな油の別世界が生まれることになります。このとき、水の網目の中に入り込むことの出来ない油などの物質は水に溶け難く水の中では小突き回されて居心地が悪いので、この膜の中に逃げ込
んで安定な状態になります。水に溶け難い油が１重膜に囲まれた小さな油滴となって水の中に点在するようになりますので、このような現象を乳化と呼んでいます。また、乳化を起こす性質を持つ物質は界面活性剤と呼び、巨視的に見れば油を水に溶け込ませてしまう
働きをします。つまり、界面活性剤は友達の友達を皆友達するような働きをします。
脂肪を水酸化ナトリウム水溶液と煮た後に冷やすと、固まってくる脂肪酸のナトリウム
塩は石鹸と呼ばれて最も古くから用いられている界面活性剤です。やし油や大豆油などの植物油あるいは鯨油や魚油などの動物油が原料の脂肪として用いられています。これらの脂肪は主に 16 または 18 個の炭素原子を含む脂肪酸のグリセリンエステルですから、式 5−17 に示すように水酸化ナトリウムと反応して脂肪酸のナトリウム塩とグリセリンに加水分解します。脂肪酸のナトリウム塩は炭素原子 15 ないし 17 の長い鎖状の炭化水素部分とカルボン酸ナトリウム塩の部分で構成されています。長い鎖状の炭化水素部分は水と仲の悪い部分構造であり、カルボン酸ナトリウム塩の部分は水の中でカルボン酸陰イオンとナトリウム陽イオンに解離しますから、それぞれイオンとして水と仲良しの部分構造となり70

ます。水の中で石鹸は外側にカルボン酸イオンの部分構造を、内側に炭化水素部分を並べた 1 重膜の膜を作ります。油はこの膜の中に逃げ込んで安定化しますから、巨視的に見れ
ば油を石鹸水で洗い落とすことになります。

O
O
HmCn

C

H2C
O

O

C

CnHm
NaOH

CH

H2C

O

O

C

HmCn

CnHm

O
n=15or17,m=31or33or35

C

O

Na
3

H2C

OH

HC

OH

H2C

OH

式5−17

石鹸が界面活性剤として油を水で洗い落とすために非常に役立ちますので、石鹸の性質を調べて見ましょう。前節で考えたように Brønsted の定義によると、酸と塩基の反応は水素陽イオンの遣り取りと考えることができ、酸と塩基の関係は相対的なものであります。
ある物質が 2 種類の溶媒に溶けている場合に、一方の溶媒中では酸性を示し、他方の溶媒中では塩基性を示すこともあり得ることになります。ある溶媒の pKa よりも小さな pKa を持つ物質はその溶媒中で酸性を示し、大きな pKa をもつ物質は塩基性を示します。さらに、
pKa<1 のような小さな pKa を持つ酸は強い酸性（強酸）の性質を示し、比較的大きな pKaを持つ酸は弱い酸（弱酸）の性質を示します。石鹸に用いられている脂肪酸をはじめとして界面活性剤と関係の深い酸性物質の pKa を表 5−6 にまとめました。表 5−6 によると水の中ではカルボン酸類、フェノール類、メルカプタン類等は酸性を示しています。脂肪酸の系列は直鎖の炭化水素を持つカルボン酸で最も炭素数の少ない蟻酸が最も強い酸性を示し、炭素数が多くなるほど pKa の値は大きくなります。炭素数が 8 以上の脂肪酸ではそのpKa はほぼ 4.9 に一定し、石鹸に用いられているミリスチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、
リノール酸などの脂肪酸も比較的弱い酸の性質を示しています。そして、アルコール類は水と同じような pKa 値を持っていますから、水の中ではアルコール類は中性を示します。
塩酸が代表的な強酸であり、そのナトリウム塩に相当する食塩が水の中で中性を示すことからも分かるように、一般に強酸のナトリウム塩は水の中で中性を示します。これに対して、弱酸のナトリウム塩は塩基性物質で、pKa を弱酸の解離定数、C を水溶液の濃度とするとその弱酸のナトリウム塩の水溶液の pH は式 5−18 で概算することができます。石鹸に用いられているミリスチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノール酸が同じように比較的大きな pKa の値を持つ弱酸ですから、そのナトリウム塩は表 5−6 に示すように塩基性を示します。塩基性の水溶液は皮膚や眼にとってはあまり好ましくありませんから、皮膚炎やアレルギー疾患を持っている人にとっては強い刺激になってしまいます。古くから使われている石鹸の組成が脂肪酸のナトリウム塩ですから、水溶液が塩基性を示し皮膚を傷める欠点を持っています。

71

pH =

1
(log C + pKa + 14)2

式 5−18

表 5−6 界面活性剤と関係深い酸とそのナトリウム塩

酸
物質名ナトリウム塩 0.1M 水溶液

ｐKa

示性式

pH

蟻酸

3.75

HCOONa

8.4

酢酸

4.76

CH3COONa

8.9

プロピオン酸

4.87

CH3CH2COONa

8.9

酪酸

4.83

CH3(CH2)2COONa

8.9

ペンタン酸

4.84

CH3(CH2)3COONa

8.9

ヘキサン酸

4.86

CH3(CH2)4COONa

8.9

ヘプタン酸

4.89

CH3(CH2)5COONa

8.9

オクタン酸

4.89

CH3(CH2)6COONa

8.9

ノナン酸

4.95

CH3(CH2)7COONa

9.0

デカン酸

4.90

CH3(CH2)8COONa

9.0

安息香酸

4.21

C6H5COONa

8.6

フェノール

9.99

C6H5ONa

11.5

pークレゾール

10.26

CH3C6H4ONa

11.6

ベンゼンスルホン酸

0.70

C6H5SO3Na

7.0

水

15.74

NaOH

13.0

メタノール

15.54

CH3ONa

13.0

エタノール

16.00

CH3CH2ONa

13.0

グリセリン

14.16

HOCH2CHOHCH2ONa

13.6

エチルメルカプタン

10.50

CH3CH2SNa

11.8

ブチルメルカプタン

10.66

CH3(CH2)3SNa

11.8

チオフェノール

7.80

C6H5SNa

10.4

カルボン酸のナトリウム塩は水に溶け易くよく解離しますが、カルシウム塩は余り高い
溶解度を示しません。例えば、石鹸に多く含まれているオレイン酸のナトリウム塩は水 1Lに対して 100g ほど溶けますが、オレイン酸のカルシウム塩は 0.4g しか溶けません。石鹸を軟水の中で使用するときには問題なく油を洗い落としますが、硬水中では多量に含まれる炭酸カルシウムと反応して、石鹸は脂肪酸のカルシウム塩になり沈殿してしまいますから、界面活性剤としての働きを示すことができず、油を洗い流す洗剤として役に立ちません。脂肪酸のナトリウム塩でできている石鹸は硬水中でその能力を失活する欠点を持って

72

います。
脂肪酸のナトリウム塩でできている石鹸はこのようにいくつかの欠点を持っています
が、油分を乳化して水で洗い流すときに、下水中ではナトリウム塩が中和されて脂肪酸に戻ります。脂肪酸は廃水中に棲息する多くの微生物により容易に分解されてしまいますから、多少生物化学的酸素要求量（BOD）の値が高くなる程度で比較的に環境にやさしい界面活性剤と考えられます。また、幼児が食べてしまうなどの事故により、石鹸が誤って体内に入ってしまう場合でも、胃の中は強い酸性の状態にありますから、中和されて脂肪酸になってしまいます。人間は胃の中で種々の脂肪を消化して脂肪酸とグリセリンに分解していますから、新たに脂肪酸が体内に生成することは全く不都合がありません。結局石鹸の主成分の脂肪酸のナトリウム塩は体内に入っても若干胃の中の酸性度が変化するのみで顕
著な毒性は示しません。

水と油の間のまとめ役
一つの分子の中に水と仲良しの部分と仲の悪い部分を持つことにより、界面活性剤の性質が発現しますから、石鹸以外にもこれらの部分構造の組み合わせにより種々の特徴を持った界面活性剤が設計されています。水と仲良しの部分として水素結合しやすい部分構造をもつ非イオン性界面活性剤と呼ばれる界面活性剤と、イオン結合性の部分構造を持つイ
オン性界面活性剤が可能です。さらに、イオン性界面活性剤には陽イオン部分を持つ陽イ

O
O

O

C
R 1 O
O

H3C

R

CH3

H 3C

N
R

CH3

R

R

C
H2

nOH
13

R HO
O
H

H

OH

O
R

H2
C

N
H2
R

nOH

H2
C

O

C
H2

C
H2

OH
H

H

H

H O
H
OH

OH R
OH

18

H

図5−9

73

nO

O
C

8

O

O
C
C
O
H2 12
H2
C

O
C

14

C HO
OH R
O

17

R

P
O 7 O

H2
C

H2
C

O

R
nOH

15

O

H O
H

OH

C
O
H2 11

C
H2

4

R

C

O

R

R

CH3

R

R

O

O

N

10

H2
C

O

H3C

N

CH3

9

O
H2 O
S
C
C
nO 6 O
H2

O

S
O
O
5

R

R

O
S

O

H2
S
C
C
O
nO
3
H

H
C

O

S
R 2 O

O

O

O

H2
C

N
C
O

H2
C HO
C
O
H2
n
HH

C
H2

16

H O
H
OH

代表的な界面活性剤

OH 2

OH
OH

19

H

オン界面活性剤、陰イオン部分を持つ陰イオン界面活性剤、両方のイオンを持つ両性界面活性剤の 3 種があります。現在、食器や食材の洗剤ばかりでなく洗濯用、化粧用、医療用、工業用に用いられている主な界面活性剤の化学構造を図 5−9 に纏めました。ただし、R は直鎖の炭素数 12〜18 の炭化水素鎖をあらわしています。古くから用いられてきた石鹸は陰イオン界面活性剤の一種で、前節で見たようにミリスチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、
リノール酸などのナトリウム塩が皮膚や眼にとってはあまり好ましくない塩基性を示しますから、皮膚炎やアレルギー疾患を持っている人にとっては強い刺激になってしまい、皮膚を傷める欠点を持っています。蛇足ながら、塩基性の強い石鹸は羊毛や絹糸の洗濯、洗髪にも不適当で衣服の繊維や髪の毛を傷めてしまいます。
陰イオン界面活性剤のなかで、石鹸は弱酸のナトリウム塩ですから、塩基性を示します。
しかし、ベンゼンスルホン酸や硫酸がそれぞれ pKa

0.70、-3.00 の強酸ですし、りん酸もｐKa 2.12 ですから、水と仲良し部分の構造がスルホン酸や硫酸エステルやりん酸エステ
ルのナトリウム塩の界面活性剤は中性を示します。しかし、スルホン酸も硫酸もりん酸もカルシウム塩が水にあまり溶けませんから、石鹸と同じように硬水中で界面活性を失ってしまいます。
炭化水素鎖を持つベンゼンスルホン酸のナトリウム塩（図 5−9、4）は皮膚に優しい中性を示す界面活性剤として働きます。しかも、図 5−10 に示すように石油から合成される
アルキルベンゼンを硫酸でスルホン化することにより容易に調製できますから、アルキル
ベンゼンスルホン酸のナトリウム塩は極めて安い中性洗剤として用いられるようになりました。しかし、アルキルベンゼンの部分構造は生物の代謝を受け難く、スルホン酸の部分構造を代謝する微生物や酵素は限られていますから、アルキルベンゼンスルホン酸のナト
リウム塩は生物の力では分解し難く、誤って体内に入った場合には体内で代謝できず毒性を示します。自然界においても分解し難く長時間にわたり残存するため、自然環境を破壊する危険性を持っています。長い炭化水素鎖を持つアルコールのりん酸エステルのナトリ
ウム塩（図 5−9、7）も界面活性を示しますが、排水中のりんの濃度が高くなって微生物の異常繁殖を引き起こします。
O
C12H24
Al2O3

SO3
H2SO4

C12H25

C12H25

S

OH

O
NaOH

図5−10

アルキルベンゼンスルホン酸塩の合成法
O
C12H25S

O Na

O

窒素原子に 4 つの原子が結合した 4 級アンモニウムイオンは安定な陽イオンとして、塩
素イオンや硫酸イオンなどと塩を作り水に溶け易くなります。そのため、水と仲の悪い炭化水素鎖が窒素原子に結合したアンモニウム塩は弱い酸性を示す陽イオン界面活性剤とな74

ります。さらに窒素原子上にカルボン酸を含む部分構造が結合したアンモニウム塩（図 5−9、11 および 12）では、窒素原子上で陽イオンに、カルボン酸部分で陰イオンになりま
すから、両性界面活性剤として働きます。
非イオン性界面活性剤は水と水素結合の出来るアルコール性の水酸基の部分構造を持っており、中性の性質を示します。特にブドウ糖などの糖類は多くの水酸基を持っていますから、非常に水に溶け易い部分構造として働きます。また、ブドウ糖の代わりに砂糖を水に溶け易い部分構造として導入した界面活性剤も開発されています。これらのブドウ糖や砂糖を水に溶け易い部分構造に持つ界面活性剤は分解したときに、生物にとって栄養にこそなれ毒性を示すことのないブドウ糖や砂糖を再生します。分解生成物が糖類と脂肪酸ですから、人間の体内に入っても顕著な毒性もなく、食材や食器を洗うための洗剤や歯磨き用の界面活性剤として適しています。さらに、食品添加物として利用されていることもあります。
水素結合が本質的に酸からの解離による水素陽イオンの供給と受け取る塩基との間の水素陽イオンの遣り取りにより、酸の水素原子が塩基分子に結合を瞬時にしてゆく交換反応であるため、塩基として働くことの出来る 1 対の電子を持つ分子は水素原子と水素結合をすることが出来ます。エーテル結合の酸素原子は塩基として働くことの出来る 1 対の電子を持っていますから、多くのエーテル結合を持つ物質も水素結合により水に溶け易い性質を示します。石油や天然ガスから得られるエチレンの酸化によりエチレンオキシドが安く大量に生産されていますが、このエチレンオキシドにアルコールや脂肪酸を反応させますと、図 5−11 に示すように、多くのエーテル結合を持ったポリオキシエチレンを合成することができます。このポリオキシエチレンは水素結合により水に溶け易い性質を示しますから、水と仲の悪い炭化水素部分と結合した場合には、全くイオン性を持たない物質でありながら界面活性を示す非イオン性界面活性剤として働きます。ポリオキシエチレンの合成条件を変化させることにより、エーテル結合の数 n を調節することが出来ますから、当然水に対する溶け易さを調節することができます。特に、アルキルベンゼンがポリオキ
シエチレンとエーテル結合した化合物（図 5−9、14）が非イオン性界面活性剤として用いられています。しかも、非イオン性界面活性剤はカルシウムイオンとの相互作用があまりありませんから、硬水中でも界面活性の性能の低下がありません。また、ポリオキシエチ
レン部分は酸性条件では比較的容易にエチレングリコールに加水分解しますから、これらの界面活性剤は自然環境に残留する心配は無いように思われます。結果として極めて多種

H2C

H2
C
R
C
OH
Ag
H2C CH2
n
H2
13
NaOH
H2
R
OH
C
R
O
C
C
C
nOH
O
H2
15
O
ポリオキシエチレン系界面活性剤の製法

CH2

図5−11

O2

O

R OH
NaOH

75

O

多様な界面活性の性質を実現することができますから、現在最も多量に、広範に利用されています。
1950 年代以降に界面活性剤は石鹸から飛躍的に進化し、人体に毒性が少なく、環境にやさしく、しかも界面活性の能力の高いものに改良されてきました。しかし、細胞膜などの生体膜はいずれもりン脂質と呼ばれる界面活性剤で出来た二重膜ですから、より強い界面活性剤により置き換えられたり、破壊されたりしてしまいます。結果として人間をはじめ多くの生物にとって毒として働きます。界面活性の弱いものでは油と水を仲良くさせる
ことができず、強い活性のものは生物にとって有毒になります。料理の下拵えとして最も大切な、食材の洗浄と食器の後片付けのためには水を使いますが、ただの水洗いでは不十分ですから、種々の界面活性剤を使って油性の汚れと水を仲良くさせて洗い落としています。しかし、石鹸や洗剤などの界面活性剤は人間の身体にとってあまり好ましい物質ではありませんから、その使用に当たりできる限り皮膚に付けることや、口から体内に入ることのないように、気を付けるべきだと思います。

溶媒だけ通す半透膜
ろ過もふるいも物質の形態的な大きさの違いにより分離する技術で、固体の大きさより小さな目の網やふるいやざるを用いれば大きな固体だけ分離することが出来ます。固体と違い液体は非常に小さな穴でも流れ出ますから、固体の大きさより小さな目の網やふるいを用いれば固体を液体から分離することが出来ます。紙は細い植物の繊維を絡み合った状
態で薄く並べた物ですから、繊維の間に小さな隙間のあるふるいのような物です。化学の実験室ではろ紙と呼ばれる紙をふるいにして固体と液体を分離しています。このように細かい固体の浮遊した懸濁液をその固体より細かい目のふるいに通せば、固体だけを取り除くことが出来ますから、ろ紙よりもさらに小さな隙間しかないフィルターが現在では開発され、ヴィールスのような極めて小さな固体まで濾し取ることが出来るようになっています。近年、富士山麓や谷川岳や南アルプスなどの美味しい水が PET ボトルに詰められて飲料水として売られるようになっていますが、長期保存においても内容物が腐って変質しない
ように、非常に隙間の小さいフィルターで微生
Π

物を濾し取って瓶詰めされています。
溶液となって溶け込んだ溶質は通常フィル
ターを通り抜けてしまいますが、化学の進歩は

(B)

(A)

さらに小さな隙間しかない半透膜と呼ばれる膜をつくることが出来るようになりました。この半透膜を間に挿んで砂糖や食塩などの物質の溶けた溶液とその溶媒だけを隣り合わせに置くと、溶媒は膜を通して両方の液体の相を往

76

半透膜

図5−12

浸透圧の現象き来しますが、溶液の中に溶けている物質の分子は通り抜けることが出来ません。
一般に、物質が溶媒に溶ける現象は物質の溶ける前後における平衡の変化ですから、式5−5 の平衡定数Ｋの値が物質の溶け易さを意味します。物質が溶媒の液体の中に入り込んで拡散するときには、物質のエントロピー変化（ΔＳ）が増大するため溶液が薄くなるほど安定化が進みます。逆に溶液の濃度が高くなるときにはエントロピー変化が減少しますから不安定になります。溶液の濃度が小さくなる変化がエントロピー的に安定ですから、半透膜を通して往き来する溶媒の量には多少の差が生じます。2 つの液層が半透膜で仕切られた図 5−12 のような装置を使い、van’t Hoff はこの現象を研究し、半透膜を通過する溶媒の量の違いから物質の溶けていない溶媒相（A）の液面より物質の溶けた溶液相（B）の液面が高くなることを見出し、その結果を理想気体の状態方程式と類似の式 5−19 の法則にまとめました。ただし、Πは浸透圧といい、半透膜を通り抜けるために必要な溶媒の圧力の差を意味します。また、V は溶液の体積、nb は溶液に溶けている溶質のモル数、T はこの系の絶対温度、R は気体定数を表しています。

ΠV = nb RT

式 5−19さらに、溶液のモル濃度を cb、ρb を溶けている溶質の質量、Mb をその溶質の分子量とすれば、式 5−20 と書き換えることが出来ますから、この関係式を利用すれば、溶質の分子量を測定することも出来ます。

Π = cb RT =ρb RT

式 5−20Mb

2 つの液槽が半透膜で仕切られた図 5−12 のような装置の溶液槽に浸透圧以上の圧力をかければ、溶液から溶媒だけが溶媒槽に半透膜を通過してゆきますから、溶液の濃度が上昇して濃縮すると共に、溶質の溶け込んでいない溶媒が増加します。地球は海に覆われていますが、海水は食塩など種々の塩類の約 3.6％水溶液ですから、工業用水としても農業用水としても生活用水としてもあまり適していません。この海水を半透膜に通しますと海水中に溶け込んでいる塩類を分離する製塩ができますが、同時に海水の溶媒の水を取り出すことができますから生活用水の供給も可能になります。アラビア半島のように砂漠が海岸まで広がっている地域では目の前に有り余る海水がありながら、工業用水や農業用水や生活用水を充分に供給をすることが出来ません。この半透膜に海水を通す方法による食塩の製塩と海水の純水化の方法は多少経費がかさみますが、アラビア半島のように生活用水や工業用水の供給が困難な地域では充分に経済的に成り立つ工業となります。

77

6.

多くの偶然の上に生まれた水の惑星

地球から逃げ去った小さな分子
色とりどりの風船は凧糸を通して引く力と風船の中に詰められた水素ガスの揚力が釣り合った状態を保ちますが、凧糸が切れますと風船の揚力が優りますから、風船は大空高く飛び去ってゆきます。これと同じように、万有引力に優る力を持つ物質はすべての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は式 6−1 により算出できます。ただし万有引力定数Ｇは 6.67ｘ10−11ｍ3/kgｓ2と見積もられています。物質の質量と速度に比例する運動エネルギーF が式 6−2 のように地球の持つ万有引力に優るときには物質は地球の外に飛び去ってゆきますから、地球外へ物質が飛び去るために要する地球からの脱出速度ｖ2(第 2 宇宙速度)を 11.2km/s と算出できます。マリナー2 号が金星へ、バイキング 2 号が火星へ、パイオニア 11 号やボイジャー2号が木星や土星へ飛んでゆきましたが、これらの人工衛星は 11.2km/s 以上の猛烈な速度で地球の重力圏から脱出しました。
太陽系には 9 個の惑星が太陽を中心に公転しており、我々の地球は内から 3 番目の軌道を公転しています。この 9 個の惑星のうち、最も外側の軌道を公転している惑星は近年その存在を発表されたばかりで、その真偽のほどは確かではありません。また、体積が極端に小さく非常に太陽に近い軌道を周回しているため、水星も余り性質がはっきりしていません。表 6−1 に示すように、地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますが、それらの外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星は体積が大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っています。このことから、内側の軌道を公転している金星と地球と火星の 3 個の惑星は、45 億年前に同じように誕生したものと考えられます。これらの惑星に対して、外側の軌道を公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 個の惑星は別の経過で誕生したものと考えられます。地球の脱出速度と同じ算出法により算出した太陽系の惑星の脱出速度を表 6−1 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
r

式 6−1

1 2 GMm
mv >
2
r
2GM
v2 >
= 11.2r
F=

式 6−2

第 4 章で考えましたように、気体の分子は式 4−5 で表されるような運動エネルギーを78

持って自由に動き回っています。この式を変形して導かれる式 6−3 から分かるように、気体の分子の数を Na、分子の質量を m、理想気体定数を R、分子量を Mw とするとき、運動している分子の速度ｖは温度に比例し、分子量に反比例します。分子量の大きな分子で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、分子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。例えば、独立行政法人海洋研究開発機構による「シートピア計画」は水深 60m の海底居住施設で生活する実験ですが、潜水病を避けるために通常の空気ではなくヘリウムを主体とする大気が用いられています。ヘリウムと窒素分子の分子量はそれぞれ 4 と 28 ですから、ヘリウムと窒素分子が同じ運動エネルギーを受けた時にヘリウムは窒素分子の 2.6 倍ほど早く動き回ります。そのためこの施設内では大気が早く振動しますから、すべての音程が 1 オクターブと完全 4 度だけ甲高い音になり、空気中でハ

v=

3RT
3RT
=
Nam
Mw

式 6−3

表 6−1 惑星の性質と大気組成（％）

木星

土星

天王星

海王星

2

89

96

85

81

He

4

11

4

15

17

メタン

CH4

16

0.2

0.5

0.6

2

アンモニア

NH3

17

0.02

0.02

水

H2O

18

0.14

2.8

0.03

窒素

N2

28

3.4

78

2.7

酸素

O2

32

0.0069

21

0.13

アルゴン

Ar

40

0.0019

0.93

1.6

二酸化炭素

CO2

44

96

0.032

95

二酸化硫黄

SO2

64

0.019

大気成分

分子式

分子量

水素

H2

ヘリウム

金星

地球

火星

0.00030.0001

6052

6378

3397

71398

60000

25560

24760

23

48.7

59.7

6.39

19000

5680

868

1020

3

密度(g/cm )

5.24

5.52

3.93

1.33

0.70

1.27

1.64

脱出速度（km/ｓ）

10.36

11.18

5.02

59.57

35.56

21.29

23.49

大気圧(atom)

90

1

0.006

太陽からの輻射量

1.91

1.00

0.43

0.037

0.011

0.00270.0011

大気温度（K)

735

295

250

124

94

59

59

脱出分子量

0.17290.05960.25050.00090.00190.00330.0027惑星半径（km）
惑星質量(x10 kg)

79

長調のドの音（振動数 264Hz）も 1 オクターブ上のファの音（振動数 686Hz）になります。
1966 年に Cameron が見積もった宇宙に存在する元素の割合を表 6−2 に抜粋しましたが、最表 6−2 宇宙における元素存在比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 種類の元素は元素

存在比(％)

水素H

92.2190

ヘリウム

He

7.4928には、この表に示される元素組成で出来ていたと

炭素

C

0.0478

思われます。水素もヘリウムも気体になり易い元窒素

N

0.0086

素ですから、それぞれの惑星の大気の主成分は水

酸素

Ｏ0.0836

素とヘリウムで構成されていたと考えられます。

ネオン

Ne

0.0084太陽はほぼ一定のエネルギーを輻射し続けマグネシウムMg

0.0030ていますが、各惑星により太陽からの距離が異な

けい素

Si

0.0029りますから、各惑星で受ける輻射エネルギーの量

硫黄S0.0017は異なります。表 6−1 には地球で受ける輻射エ

アルゴン

Ar

0.0007

ネルギーの量を 1 としたときに、それぞれの惑星

鉄Fe

0.0024

合計 1％にも届きません。当然太陽系の惑星も例
外ではありませんから太陽系惑星が誕生した時が同じ面積当たり受け取れる輻射エネルギーの量を掲げました。当然この値の小さな惑星では大気は温められませんから温度が低くなってゆきます。近年になり人工衛星などで太陽系の惑星の大気の温度と成分比がかなり詳細に調べられましたので表 6−1 に掲げます。ここに掲げた大気の温度と脱出速度を式 6−3に代入しますと脱出速度を持つ分子の分子量を算出することができますから、脱出分子量として表 6−1 にあわせて掲げておきます。式 6−3 で算出される分子の運動の速度はあら
ゆる分子の平均値で、非常にわずかながらその平均値から大きく異なり非常に早く運動する分子も非常に遅く運動する分子も含まれています。脱出速度を超えるほどに早く運動す
る分子は大きな偏差値を示しますから、極めて少量しか含まれていませんが、惑星の誕生
以来 45 億年の間には大気中から宇宙の彼方に飛び去ってゆきます。
大きな脱出速度を持ちしかも大気の温度が低い木星や土星や天王星や海王星では脱出分子量が極めて小さな値ですから、分子量の最も小さな水素やヘリウムの分子でもほとん
ど惑星から脱出することがなく、宇宙の元素組成をほぼ維持してきました。結果として現在でもそれぞれの惑星の大気は少量のヘリウムと共に主成分として水素を約 90％含んでいます。これらの惑星に対して、脱出速度が小さく大気の温度の高い金星と火星では脱出分子量が比較的大きいために、水素やヘリウムばかりでなくメタンやアンモニアや水まで惑
星外に飛び去ってゆきました。そのため、現在では分子量の大きな二酸化炭素が大気の主成分として残りました。
金星と同じ程度の脱出速度を持っている地球は、わずかに大きな半径の軌道を周回していますから、太陽から受ける熱や光などの輻射エネルギーが半分ほどしかなく、大気の温80

度が低いために、金星や火星より小さな脱出分子量を示しています。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、酸素や窒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ます。ちなみに、月の脱出速度は 2.38km/s に過ぎませんし、太陽に面するときにはかなり高温に達しますので、全ての気体が脱出してしまい現在では全く気体を検知できなくなっています。

二酸化炭素の固定化を援ける水太陽系の 10 個の惑星のうちで地球に近い金星と火星は大きさも密度も地球と類似していますが、それらの外側に公転している木星と土星と天王星と海王星の 4 つの惑星は体積が大きく、太陽と同じようにかなり小さな密度を持っています。このことから、内側の軌道を公転している金星と地球と火星の 3 個の惑星は、45 億年前に同じように誕生し、地殻の元素組成もほとんど類似しているものと考えられます。当然、これらの惑星は類似した大気を持っていたものと考えることが出来ますが、表 6−1 に掲げた太陽系の惑星大気の組
成表から金星と火星の二酸化炭素の割合が非常に高く、その間に挟まった地球の大気は主に窒素と酸素で構成されており、二酸化炭素はわずかに 0.03％しか含まれていません。二酸化炭素は地球の大気を構成する気体の中では最も重い質量を持っておりますから、45 億
年の間に脱出速度を超えて散逸していったとは考えられません。地球の大気の成分変化は
金星や火星の大気の変化とは異なった過程を経たものと考えねばなりません。
金星は太陽に近いために地球の 2 倍近い輻射エネルギーを受け続けていますから大気の温度が高く、火星は質量が小さいため脱出速度が小さくなりますから、金星も火星も地球より脱出分子量をかなり大きく見積もることができます。そのためこれらの惑星では液状の水は存在できませんし、水蒸気の分子量が小さいためにほとんど水は散逸してしまい、
結果的に 45 億年の間に太陽系の中で地球だけが水の惑星になってしまいました。近年、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、スピリット、オポチュニテ
ィーなどの無人探査機が金星や火星に着陸し、多くの情報を直接送信してきています。現在までに得られた情報を総合すると、火星に過去の水の痕跡が確認されたのみで、液状の水は現在ではほとんど存在していません。これに対して、大きな海が地球を覆っています
から、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多量の水の存在にあると思われます。太陽系の惑星が誕生してからの 45 億年の間に、地球だけが水の影響を受けながら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す。本来の地球の成分が固化してできた岩81

表 6−3 地殻中の主な化合物組成（％）
火成岩

堆積岩

全地殻

酸化けい素

SiO2

59.12

57.95

58.87

二酸化チタン

TiO2

1.05

0.57

0.95

酸化アルミニウム

Al2O3

15.34

13.39

14.92

酸化第二鉄

Fe2O3

3.08

3.47

3.16

酸化第一鉄

FeO

3.80

2.08

3.43

酸化マンガン

MnO

0.12

0.00

0.10

酸化マグネシウム

MgO

3.49

2.65

3.31

酸化カルシウム

CaO

5.08

5.89

5.26

酸化ナトリウム

Na2O

3.84

1.13

3.25

酸化カリウム

K2O

3.13

2.86

3.07

五酸化燐

P2O5

0.30

0.13

0.26

水

H2O

1.15

3.23

1.60

二酸化炭素

CO2

0.10

5.33

1.24

石は火成岩と呼ばれ、表 6−3 に示すような

表 6−4 海水中の元素組成

成分を含んでいます。この火成岩は機械的風化により礫や砂に破砕され、土にまで微

元素名

元素記号

組成（％）

細化されて、水や風に流されて移動してゆ塩素Cl

1.8980

きますが、そのとき、水に溶け易いナトリ

ナトリウム

Na

1.0560

ウムやカリウムやマグネシウムやカルシウ

マグネシウムMg

0.1272

ムの塩類は水に洗い流されてゆき、酸化ケ

硫黄

S0.0884イ素や酸化アルミニウムなどを多く含む砂

カルシウム

Ca

0.0400カリウム

K

0.0380臭素

Br0.0065炭素

C0.0032

ストロンチウム

Sr0.0013珪酸

Si0.0011

ホウ素

B

0.0005

アルミニウムAl

0.0002フッ素

F0.0001

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 6−4 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82

み塩辛くなってしまいました。
地球に大量にある液状の水は大気を構成する全ての気体を溶かしますが、その溶け易さ
は表 5−1 に示すように種類により大きく異なります。現在の大気成分のうちで、アンモニ
アや硫化水素や二酸化硫黄は極めてよく溶けます。酸素は窒素よりも若干多く溶けますが、それでも 1Ｌの水に 0.003Ｌしか溶けません。これに対して、二酸化炭素は酸素の 30 倍に相当する 0.086Ｌ溶けますから、かなり良く溶ける気体と考えることが出来ます。水に溶けた二酸化炭素は式 6−4 のように水と反応して炭酸となり、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。一般に水に溶ける気体の量はその圧力に比例しますから、圧力が高いときには水に大量の二酸化炭素が溶け込み、炭酸の濃度が高くなります。この水と二酸化炭素の反応は完全な可逆平衡反応ですから、溶け込む二酸化炭素が増大すれば、炭酸の濃度は高くなり、炭酸の濃度が低くなれば二酸化炭素を溶かし込むようになります。また、溶け込む二酸化炭素が減少すれば、炭酸の濃度は低くなり、炭酸の濃度が高くなれば二酸化炭素として水から発泡して行きます。ビールやシャンパンのような発泡酒は高い圧力で二酸化炭素を溶かし込んで高い濃度の炭酸として存在していますから、栓を開けて圧力を下げますと二酸化炭素が一気に気体になり泡となって逃げて
ゆき炭酸の濃度が低下します。しかし、栓を開けて数時間を経過したビールでも僅かづ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。
CO2 + H2O

H2CO3+

H + HCO3−

H2CO3
HCO3

−

−

+

H

式 6−4

+ CO32−

表 5−2 に示すように、種々の金属の塩化物や硝酸塩は水によく溶けますが、炭酸水素
塩はかなり溶け難く、炭酸塩はさらに溶解度の低いことが明らかです。特に、カルシウム
イオンと炭酸が反応して生成する炭酸水素カルシウムは 0.2％しか溶けませんし、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むと、
式 6−4 に従い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するため、式 6−5 の反応により水に対する溶解度の低い炭酸水素カルシウムと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ています。
2H2CO3 + Ca2+
Ca(HCO3)2 + Ca2+
Ca(HCO3)2

2H+ + Ca(HCO3)2
2H+ + CaCO3

式 6−5

H2CO3 + CaCO383

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
辛くなってしまいました。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、式 6−5 の平衡は右に偏りさらなる二酸化炭素の水に対する溶解が進みます。結果として、カルシウムイオンが海に溶けて存在する間は、海は二酸化炭素を吸収し、炭酸カルシウムを沈殿し続けます。沈殿した炭酸カルシウムは種々の変性を受けて石灰石や大理石などの堆積岩に成長します。火成岩が風化して堆積岩に進化する間に、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。この化学反応により堆積岩の平均的な成分として、酸化カルシウムと二酸化炭素の増加したことが合理的に説明できますが、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づ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大理石などの石灰石の上を流れるとき、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。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。
太陽系の内側の軌道を公転している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。さらに、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。

84

水に支配される地球の気候と自然
液体の温度は外部からエネルギーが加わることにより上昇し、放出することにより降下します。そのとき比熱の小さな液体では温度が急激に変化しますが、比熱の大きな液体ではその変化はゆるやかになり、外部から影響するエネルギーが大きくてもその温度の変化は小
さくなります。その上、融解熱に相当するエネルギーが外部へ放出されるときに、融点にある液体の物質は固体の状態に変化してゆき、完全に固体になるまでは温度が変化しません。
また、気化熱に相当するエネルギーが外部から加わるときも、液体物質が完全に気体の状態に変化するまでは物質の温度は沸点で一定します。逆に、気体物質は気化熱に相当するエネ
ルギーを放出して液化し、固体が液体に状態の変化をするときには融解熱に相当するエネル
ギーを必要とします。そのため大きな融解熱や気化熱を持つ物質は多少のエネルギーの増減
ではその状態の変化は一部分に限られますから、液体の状態は沸点を上限に融点を下限に保たれ、容易に気体または固体に完全に変化することがありません。種々の物質の融解熱と気化熱を表 4−1 に、比熱を表 4−2 にまとめて掲げましたが、水の持つ値の非常に大きいことが分かります。このことは外部から受けるエネルギーの影響による水温の変化が緩やかで、しかも水を凍結させることも蒸発させることも非常に困難で 0〜100℃の水温の水の状態を維持します。
多くの偶然が重なって地球上には 1.4x1018t の水が残りましたので、地球の 70.8％は海で覆われています。他方、地球は毎日 1 回の周期で自転していますから、昼間は太陽エネ
ルギーを受けることができますが、夜間は全く太陽エネルギーが供給されません。当然、昼間は温度が

表 6−5 種々の物質の比熱上昇し、夜間は放熱しますから温度が低下します。
表 6−5 には地表を覆っている種々の物質の 1cm3 当

物質たりの比熱をまとめておきました。陸地を構成してアルミニウム0.5863いる土や種々の岩石の比熱は水の比熱と比較して約

銅0.8260

半分しかありませんから、海よりも陸地は 2 倍の速

鉄0.8725さで温度が変化します。昼間の太陽のエネルギーを

コンクリート0.5208

受けて陸地は海上よりも高い温度まで暖められます

アスファルト0.2860花崗岩

0.5400砂岩

0.4500石灰石

0.5902土

0.4928

水

1.0000ガソリン

0.3434

エタノール0.4564空気0.0003から、陸地に接する空気も暖められて膨張します。
膨張した空気は軽くなり対流を起こして上空に浮き上がりますから、そこに生じた空間を埋めるように
海上の空気が流れ込んできます。反対に、夜間は海上と比較して陸地の温度が大きく降下しますから、陸地では上空の空気が沈むように逆方向の対流が起こり、海の方へ吹出します。結果として昼間は海から陸地に向かって海風が吹き、夜間は陸地から海に向かって陸風が吹きます。そして、朝夕にそれぞれ

85

比熱（cal/cc）

陸地と海上で温度変化の逆転が起こりますから、そのときは風が止まる凪となります。余
談ながら、アスファルトの比熱は水の 30％にも満たない物と見積もられていますから、都会の舗装道路の表面の温度変化はさらに速いものと思われます。
地球は地軸が 23.44°傾いたままで太陽の周りを公転していますから、太陽から送られてくるエネルギーの量が時間によっても季節によっても地域によっても大きく変化します。
東京において夏至の太陽エネルギーが冬至の太陽エネルギーの 1.9 倍まで強くなるように、北半球では冬は太陽から供給されるエネルギーが小さく、夏は大きなエネルギーが供給されます。そのため、昼夜で海風と陸風が交互に吹くように、夏は太平洋からユーラシア大陸へ
海風の吹く夏型の気圧配置となり、冬は大陸から太平洋の方向に陸風が吹く状況の西高東低の気圧配置になります。
太陽から地球に送られてくるエネルギーは毎秒 1x1013kcal と見積もられていますが、誕生以来 45 億年の間に地球は熱的に平衡の状態に達しましたから、現在では全く同量のエネ
ルギーを輻射熱として地球の外に放出するようになっています。しかし、太陽も生きていま
すから、多くの黒点が発生したりして短期的には活発に活動し、多くのエネルギーが太陽から地球に送られてくることもあります。そこで、太陽の活動が急に活発になり 2 倍のエネル
ギーが 1 年間地球に送られてきて海の水を暖めたと仮定しますと、海の水が約 0.2℃上昇すると計算されます。水の気化熱と融解熱は非常に大きいために、この仮定に基づく計算では海の水が完全に蒸発するためには約 2800 年を要します。反対に太陽からのエネルギーが全く供給されなくなっても、完全に海が凍結するためには約 450 年を要します。
太陽の活発な活動による太陽から供給されるエネルギーの変化は多く見積もっても10％程度しか増減しませんから、太陽から送られてくる毎秒 1x1013kcal のエネルギーが 1 年
間海の水を温め続けるということは極めて乱暴な仮定ですが、それでも海の水の温度は0.2℃しか変化しないことになります。さらに、海の水が全て水蒸気になって蒸発すること
も、氷になって凍結することも全く考えられません。当然、海の水は 0℃以下に下がることも 100℃より高温になることも有りませんから、地球は温暖な気候を保つことができます。
水が大きな比熱と融解熱と気化熱を持つ液体ですから、大量の水で地球を覆っている海は気候に大きな影響を与えているばかりでなく、地球上の気温を一定に保つように調節する緩衝効果を持っています。

生物の誕生は海の中で普遍的に棲息している大腸菌が 4500 種以上の多種多様の複雑な物質で構成されいるよ
うに、地球上の全ての生物は非常に多くの種類の複雑な物質がそれぞれの機能を担って生命活動を維持しています。簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質へ変化してゆく
ときには、多くの元素の集合してゆく出会いの反応が主体となります。A 子さんと B 君が電車の中で出会ったように、出会いの反応は 2 種類の分子が衝突して進行する反応です。分子が互いに自由に動き回るときには容易に衝突することが出来ますが、一方の分子が動かない

86

場合には衝突はかなり起こり難くなります。さらに両者とも動かない場合には衝突は全く起こらないでしょう。固体は分子が整然と並んでいて、互いの分子の間には弱い分子間力が働いて安定化していますから、その配列を崩す程には分子は動きません。液体は自由に動き回れますが、分子同士の分子間力により分子の集合しているところから抜け出すことが出来ません。
そのため 2 種類の固体が在ってもその分子が衝突することはほとんどありません。固体と液体が在るときは固体の表面に液体の近付くことが出来ますが、その分子が衝突すること
は固体の表面に限られてしまいます。固体と気体が在るときも同じように分子の衝突は限られてしまいます。また液体と気体では、分子はそれぞれの中では自由に動き回ることができますが、それらの分子が液体と気体の境目を通り越すことはかなり難しいと思われます。2種類の分子が容易に衝突して出会いの反応をすることが出来るのは 2 種類の物質が液体同士あるいは気体同士のときだけに限られます。しかし、地球上で天然に在る気体は約 10 種
類、液体は 30 種類程度と見積もることができます。このように考えてくると多種多様の物
質が単なる液体分子同士あるいは気体分子同士の衝突で形作られてきたとは思われません。
純物質の分子の動きはこのように限られていますが、溶質が溶媒に溶け込んだときには、溶質の分子はその溶液の中を自由に動き回ることが出来ます。そのため溶媒に溶けた 2 種類の溶質の分子は容易に衝突することができ、出会いの反応が進行します。このとき、溶質の濃度が高ければ高いほど衝突する確率が高くなりますから、出会いの反応が早くなります。
多くの偶然が重なって地球上には大量の水が液体の状態で残りましたので、地球の70.8％は海で覆われています。最も豊富に地球上に存在するこの水が溶媒となって、生物の誕生や進化の段階で寄与すると思われる多種多様な物質が海の中で分子の衝突による出会いの反応で生じてきたと思われます。当然、水に溶け易い物質同士は水の中で出会いの反応をしますが、水に溶け難い物質は反応しませんから、生物の生命の維持に必要な物質の原料は水に溶ける物質でなければならないと考えることができます。
第 5 章で考えてきたように、アルコールなどの溶質が水の 3 次元的な網目の中に入り込
むときには、水の水素結合の切断により不安定化しますが、アルコールなどの溶質と水の間に新しい水素結合をすることによりエネルギーの安定化が起こります。このため、水の水素結合による安定化をあまり犠牲にせず、エントロピーの増大による安定化が支配的になり、3 次元的な網目の中に水素結合できるアルコールなどの溶質の分子は入り込むことができます。結果として水素結合しやすい水素−酸素結合、水素−窒素結合を持つ物質は水に溶け易い性質を示します。また、水は水素結合をしているために、水を構成している
水素原子は若干ながら正電荷を帯び、酸素原子は同じく僅かに負電荷を帯びています。一方、イオン結合性の物質は水の中で陽イオンと陰イオンに解離し、両イオンはそれぞれ電荷を帯びます。この電荷を帯びたイオンが正負に若干電荷を帯びた網目の中に入り込んでも、そのイオンの電荷が水の水素原子と酸素原子上に帯電したわずかな電荷により打ち消されるように分散されるために安定化し、水素結合を切ることによるエネルギーの損失を87

補います。電荷を帯びたイオンは水の中でその電荷を分散することが出来るために、水酸化ナトリウム、塩化水素、硫酸、食塩、塩化マグネシウムなどのイオン結合性の物質は安定化し水に溶けます。
生物は主に蛋白質と脂肪と炭水化物で構成されていますが、蛋白質はアミノ酸が鎖上に長く結合した物質ですし、脂肪は脂肪酸のグリセリンエステルですし、炭水化物はブドウ糖が集合して生成した物質と考えることができます。蛋白質の原料となるアミノ酸は分子の中に水素−酸素結合を持つカルボン酸の部分と水素−窒素結合を持つ塩基性のアミン部分を持つ分子ですから、水との水素結合で安定化すると共にイオンとしての性質も示すために、極めて良く水に溶けます。脂肪の原料となる脂肪酸はカルボン酸の部分を持つ酸性物質ですから、塩基性では陰イオンとなり水によく溶けますし、グリセリンは多くの水素−酸素結合を持つアルコール類ですから水と水素結合して水に溶けます。さらに、炭水化物とその原料のブドウ糖も多くの水素−酸素結合を持つアルコール類ですから水と水素結合して水に溶けます。このように生物の生命の維持に必要な種々の物質は水によく溶ける物質を原料として、海の水の中で出会いの反応により生じてきたと考えることができます。
生物の誕生や進化の過程においても水は欠かすことの出来ない溶媒の働きをしています。

細胞は界面活性剤でできたフラスコ
第 5 章で考えたように化学反応では、反応の起こる前の系 A から活性化エネルギーを使って不安定な中間の峠を乗り越えて系 B への反応が進行してゆくと考えられます。この活性化エネルギーを要する中間の峠が高ければ高いほど系 A から系 B への変化は遅くなり反応は進行し難くなりますが、峠を越えた後は安定な系 B に反応が進行して行きます。この峠が低い場合には系 A から系 B への変化も系 B から系 A への変化も速やかに進行しますから、反応は可逆平衡反応となり、わずか 3kcla/mol ほどの自由エネルギーの差により平衡は完全に偏り反応が完結してしまいます。あたかもわずかな重さの違いで大きく傾く天秤のように極めてわずかな自由エネルギーの差により系の平衡の割合は鋭敏に大きく変化します。
通常の溶液中の反応ではその反応の種類や素材により、中間の峠を越すために要する活性化
エネルギーの大きさが異なりますから、反応の速さにはかなり違いがあります。表 6−6 には生命活動に関係深い代表的な反応の速さを半減期の形で纏めたデータを挙げておきます。
一般にコレステロールはブドウ糖と結合していますが、その結合の半分が水により分解するのに約 1 千万年掛かります。これに対して、3 次元的な構造の変化による蛋白質の変性は 3分ほどで完結してしまいます。これらの反応はいずれも別れの反応あるいは溶媒として周囲に大過剰に存在する水との反応ですから、2 種の物質の衝突する機会が影響する出会いの反応では有りません。
簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質へ変化してゆくときには、多くの元素の集合してゆく出会いの反応が溶液中で進行してきたと考えられます。A 子さんと B 君
が電車の中で出会って結ばれていったように、2 種の物質がそれぞれ多ければ多いほどその88衝突する機会は多くなりますから、出会いの反応の速度はそれぞれ分子の濃度の積に比例します。地球上は多くの液状の水が海となって覆っていますから、水によく溶ける物質を原料として、海の水の中で出会いの反応によりこのような複雑な物質が生じてきたと考えることができます。近年 NASA（アメリカ航空宇宙局）が中心となって進めている WMAP 衛星プ
ロジェクトチームは、非常に精度よく宇宙年齢が 137 億歳と決めることができたと発表しました。宇宙の誕生が 137 億年前であり、反応の速さが素材の濃度に比例することを考えると
きに、生物を形作る素材の濃度はかなり高く無ければなりません。素材が海に溶けてそのよ
うな高い濃度になるためには、海に溶ける素材の量は膨大なものになってしまいます。このように高い濃度で素材が溶けた溶液の元素組成と、太陽系あるいは地球の元素組成とを考え合わせますと、このように海の中で一元的に出会いの反応が進行すると単純に考えることに半減期（ｓ）

は矛盾があるように思われます。
1.0 x 1017
1.0 x 10アミノ酸の脱炭酸反応

15

配糖体の加水分解反応
フマール酸への水の付加反応

1.0 x 1013
1.0 x 10

りん酸モノエステルの加水分解

11

りん酸ジエステルの加水分解

1.0 x 109

マンデル酸エステルのラセミ化反応
アミノ酸のラセミ化反応

1.0 x 107

蛋白質の加水分解反応
1.0 x 105
1.0 x 10

ヌクレオシドの脱塩基反応
りん酸リボースエステルの加水分解反応

3

りん酸トリオースエステルの異性化反応

10

蛋白質の三次元構造の異性化反応0.1

二酸化炭素の加水分解反応
気質の酵素への捕捉反応

0.001

表 6−6 代表的な反応の速さ（半減期、s）
海の中に水の入った小さなフラスコを考え、そのフラスコの中で素材の濃度が高くなると考えればこの矛盾が解決できるものと思われます。しかし、化学の実験で使うようなガラスのフラスコが海の中に浮いていると考えることは出来ませんから、このフラスコの素材を考えなければこの仮説は成り立ちません。第 5 章で、アルコールやカルボン酸のように水によく溶ける部分構造と炭化水素のような水に溶け難い部分構造を同一の分子の中に持つ界面活性剤の水に対する挙動を考えました。水の中にこのような物質を混ぜ込むとき図 6−1 に示すように、界面活性剤の濃度が低い時（C）には膜を形成しませんが、一重の膜の別世界(B)を作るか背中合わせの 2 重膜 (A)を作るかはこのような物質の水の中の濃度とその89

ときの温度によります。多量の水の中にこのような物質を混ぜ込むと、水に溶け易い部分（●印）が外側に並んで膜が作られ、内側が油と馴染み深く、外側が水と馴染み深い膜となります。このような 1 重膜の風船が大きな水の塊の中に出来ると、あたかもフラスコのような小さな油の別世界が生まれることになります。水に溶け難い物質は水の中では居心地が悪くこのような油の世界に逃げ込む性質がありますから、この油のフラスコは水に溶け難い物質の格好の反応の場になると思われます。ちなみに生物は酵素の一部に油のフラスコを造りフラスコの口を水の世界に開けていますから、100 分の 1 秒程の極めて短時間に物質が酵素の中に完全に取り込まれます。
また、多量の水の中に界面活性の性質を持つ物質を混ぜ込むと、水に溶け難い部分が背中合わせに並んで２重膜が作られ、両面とも水と馴染み深い濃度

膜になります。このような背中合わせの膜の風船が大きな水

(B)

(A)

の塊の中に出来ると、あたかもフラスコのような小さな水の別世界が生まれることになります。この 2 重膜は半透膜の性質を持っていますから、浸透圧(C)により水はゆっくりと通過し温度

ますが、ある程度大きな分子は通過することが出来ません。こ

図6−1

界面活性剤の濃度と膜の性状の 2 重膜の内側と外側の水に溶けた溶質の濃度が違う場合には、2 つの水溶液の濃度が等しくになるように水が膜を通過して移動します。しかも水に溶けた溶質は 1 種類とは限らず、溶質の濃度の合計により、水の移動の方向は決まります。2 重膜で出来たフラスコ内の溶質の濃度はフラスコの外側の海に溶けている溶質の濃度により調節されることになります。
このような 2 重膜で出来た小さなフラスコの中では、素材の量がさほど大量でなくとも素材の濃度が高くなりますから、簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質を生じる化学反応が短時間に容易に進行すると思われます。また、フラスコの中の素材の濃度を容易に調節できますから、生命活動に関連する化学反応を制御することができます。実際、生物は細胞膜と呼ばれるりん酸エステルの 2 重膜でフラスコを作り、この中で生命の活動の誕生や進化や維持に関係する化学反応を加速したり制御して、必要となる種々の複雑な物質の生成を適宜行っています。

90

水の分解で作られるブドウ糖
日常生活で口にする食物の中でパンやご飯などのでんぷんや糖類のもとになるブドウ糖は C６H1２O６の分子式を持つアルコール類で、ほとんど全ての生物にとって生命を維持す
るエネルギーの源になる物質です。多くの植物は太陽からの光エネルギーを吸収して、6分子の二酸化炭素を還元し、6 分子の水を酸化分解する光合成反応により、1 分子のブドウ糖と 6 分子の酸素を生産しています。
一般に、水を分解して酸素を発生させる反応は試験管の中では熱エネルギーや電気エネ
ルギーで進行しますが、かなり過激な条件を必要とします。植物の組織にとってはそのよ
うな過激な条件は余り適しませんので、植物の中では主に光エネルギーで進行します。式
3−2 に示すように電磁波のエネルギーはその波長に反比例するため、短い波長の光ほど高いエネルギーを持っています。X 線やγ線のようにきわめて短い波長の電磁波は生物を形作っている物質の共有結合を切断するに充分な高いエネルギーを持っています。種々の原子間の結合エネルギーは 50〜200kcal/mol ですから、短波長の紫外線でもそれらの結合を切断してしまいます。逆に、赤外線やマイクロ波などの長波長の電磁波は物質を変化させるには不十分なエネルギーしか与えません。地球表面には太陽から 250 nm よりも長波長の電磁波が到達しますが、中でも赤色の光を多く含んでいますから、生命活動に必要な物質を生産するために生物は赤色の可視光線のエネルギーを有効に利用して水を酸素まで酸化分解すると考えられます。その波長の光を最も効率よく吸収する物質は RGB３原色系の補色にあたる緑色の物質ですから、水の分解反応に有効な波長領域の光を最も効率よく吸収する物質は黄色から緑色をしています。ちなみに、植物はその生体を構成する糖類やでんぷんを生産するために葉緑素という緑色の物質を介して光エネルギーを利用しています。植物の組織の中では図 6−2 に示すように、葉緑素が太陽の光を吸収して得た 68kcal/mol のエネルギーで水を酸素まで酸化分解し、NADP＋（別名ビタミンＢ3）を NADPH まで還元し

H

O

H

O

H

C

C
NH2

H 2O
N

NH2

光
N

NADP+

R
HO
R:

NADPH

R
OH

O O
O
H2C O P O P O CH2 N
O
OH OH
N
HO OH
図6−2

N
N
NH2

太陽光による水の酸化反応

91

1 O
2 2

H+

ます。この反応で生成した NADPH が NADP+に戻るときに C=O 結合や C=N 結合を還元しますから、NADPH は水の酸化分解で生まれた還元する能力を伝達する役目を担っています。
六炭糖
二酸化炭素
三炭糖

五炭糖

CH2OPH2O3
CH2OPH2O3 CH2OPH2O3O C
HO C
HO C HCO2
H C OHC OH
C O
H C OHH C OHH C OH
CH2OPH2O3
CH2OPH2O3 CH2OPH2O3

CH2OPH2O3
HO C COOHC O
H C OH
CH2OPH2O3

3
三炭糖

OH

二炭糖
六炭糖

七炭糖

CH2OPH2O3
CH2OPH2O3
HO C CHO
HO C COOH
H
H
NADPH
H C O
HO C ONADPH
H C OHH C OH
CH2OPH2O3
CH2OPH2O3

四炭糖
図6−3

CH2OPH2O3
HO C COOH
HO C OH C OH
CH2OPH2O3

図6−4

光合成反応の複雑な反応過程

光合成反応の一部の機構

簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質へ変化してゆく出会いの反応においては分子が衝突しなければなりませんが、6 分子の二酸化炭素と 6 分子の水の分子が同時に出会う可能性は全くありませんから、この反応は多段階の反応が複雑に組み合わされ、小さなエネルギーの積み重ねにより進行しているものと思われます。実際、二酸化炭素からブドウ糖への反応は、炭素原子同士が結合するアルドール型の縮合反応とその逆反応が
図 6−3 に示すような多段階の複雑な反応の組み合わされていることが知られています。
特に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 分子に変化する過程を図 6−4 に示しておきますが、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。全体としては式 6−6 にまとめたように、6 モルの二酸化炭素が 1 モルのブドウ糖に変化するためには 12 モルの NADPH による還元過程が必要であり、別途進行する太陽光による 12 モルの水の酸素への分解反応により供給されています。この過程で、6 モルの水が同時に生成してきますから、この化学変化では 6 モルの二酸化炭素と 6 モルの水から、1 モルのブドウ糖を生産することにより太陽の光エネルギーから植物は 673 kcal の化学エネルギーを蓄えています。

12H2O
6CO2

12NADP+

12NADPH

6O2

12H+

12NADPH

12H+

C6H12O6

6H2O

12NADP+

6CO2

6H2O

C6H12O66O2

式6−6

植物の中では太陽の光エネルギーを吸収して、水が酸素に分解され、二酸化炭素がブドウ糖に変換されて固定化されてゆきます。この反応において、NADPH は水の酸化分解で生92

まれた還元する能力を二酸化炭素の還元反応に伝達する役目を担っています。この変化により二酸化炭素は還元度の高いブドウ糖に変換され、多くの太陽からの光エネルギーが蓄えられます。このようにして生合成されたブドウ糖を栄養にして、全ての生物は生命活動を維持しています。人間をはじめとする動物にとっては、光エネルギーで水を分解してブドウ糖を生合成してくれる植物が唯一の頼りなのです。

生物の活力はブドウ糖が持つ化学エネルギー生物の進化の過程で、簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質へ変化してゆくときには、多くの元素の集合してゆく出会いの反応が主体となります。A 子さんと B 君が電車の中で出会ったように、出会いの反応は 2 種類の分子が衝突して進行する反応です。多くの偶然が重なって地球上には大量の水が液体の状態で残りましたので、最も豊富に地球上に存在するこの水が溶媒となって、生物の誕生や進化の段階で寄与すると思われる多種多様な物質が海の中で分子の衝突による出会いの反応で生じてきたと思われます。当然、水に溶け易い物質同士は水の中で出会いの反応をしますが、水に溶け難い物質は出会いの反応が遅くなりますから、生物の生命の維持に必要な物質の原料は水に溶ける性質を必要としていましたが、生物の素材となる物質は水に溶けては役に立ちません。もし、生物が水に溶ける素材で出来ているとすれば、魚や海草は水の中で溶けてなくなってしまいますし、人間は海水
浴もお風呂も諦めなければなりません。そのため、水に溶ける原料から水に溶けない物質に化学変化させて生物は素材として利用してきました。例えば、水に溶け易いα−アミノ酸を繋ぎ合わせて水に溶け難い蛋白質として動物の身体を作り上げています。
植物の中では吸収された太陽の光エネルギーで水が酸化分解され、二酸化炭素がブドウ糖に変換されて、光エネルギーが蓄えられます。このようにして生合成されたブドウ糖を鎖状に長く繋げてゆくことによりセルロースの形で植物は幹や葉を作り、でんぷんとして栄養を芋や種などの形で貯蔵しています。これらのセルロースやでんぷんを栄養にして、人間をはじめとする全ての生物は生命活動を維持しています。人間はセルロースを栄養として利用することができませんが、穀類や豆類や芋類などのでんぷんを体内で水と反応させてブドウ糖に分解し、栄養として吸収されたブドウ糖は脳や筋肉などのエネルギーを必要とする部位まで蛋白質が関与しながら血管中を通って運ばれます。そこで種々の反応により酸化されて、還元能力を持つ NADPH や高い化学エネルギーを内蔵する ATP を生成します。
ブドウ糖は図 6−5 に示すように異性化反応、分解反応、酸化反応などの反応経路でピルピン酸に変化しますが、この過程で 2 分子の ADP とりん酸から 2 分子の ATP が生成します。同時に 2 分子の NADP+が NADPH まで還元されます。酸化能力を持つ NADP+が充分に供給される場合には、ピルビン酸は図 6−6 に示すような複雑な構造を持つ補酵素Ａ（HS-CoA）と酵素の働きで二酸化炭素を生成しながら、チオエステル結合を持つアセチル
補酵素Ａ（アセチル-S-CoA）に変換されます。ピルビン酸が二酸化炭素を失ってアセチル

93

HH

HH

HO

H2O3P O
ATP
HO H
-ADP
HO
H

H O

HO H
HO

H

H O
H

H

OH
H
OH
ぶどう糖

OH
OH

H

H2O3P

ATP/-ADP
H
O

H

O

H
H

O H
OH

HO

H

H

OH

H

O

H2O3P

H
H
OH

C

H

C

H

C

C
H2O3P

H

C
O

C

OH

H2O3P
ADP/-ATP
-H2O

PO3H2

O

OH
NADP+/-NADPH

O
NADP+/-NADPH
H

O

H C
H C

C
H

PO3H2

H

O

H

O

C

H

C

OH
C

O

PO3H2

O
ADP/-ATP

H

H
C

乳酸

C
O

OH

H

図6−5

C

H

H

H
HS-CoA/-CO2 C
NADP+/-NADPH C
C
O
O
C OH
S CoA
ピルビン酸
アセチル補酵素A
O

NADPH-NADP+

C
HO

H

H

H
H

解糖反応の機構

補酵素 A に変化する反応においても NADP＋とりん酸から１モルの NADPH が作られます。
ピルビン酸は酸素など酸化剤の供給のない還元状態では、酸化剤の NADP＋が充分に供給できませんから、ピルビン酸から二酸化炭素とアセチル補酵素 A に変化する反応が進行せず、NADPH により炭素=酸素 2 重結合が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 ATP を必要とする場合には、酸化能力を持つ NADP＋が充分に供給できませんから、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ます。そのため筋肉は疲労します。

94

NH2
H2
C
HS

C
H2

OH

H2
C

H
N
C
O

H
N
C
H2

CH
C

C

O H3C

N

H2
C

OH
O

P

CH3

N

OH
O

P

O

O

CH2
CH

O

N

O

N

CH

CH CH

HS-CoAO
HO

図6−6 補酵素の構造

P

OH
OH

O

酸化状態で生成するアセチル補酵素Ａはアルドール型の縮合反応を加速する効果を持っていますから、オキザロ酢酸と縮合反応をしてクエン酸を生成します。このクエン酸は脱水反応、水の付加反応、酸化反応、脱炭酸反応などを経てオキザロ酢酸に戻ります。ク
エン酸サイクルと呼ばれるこの一連の反応では図 6−7 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O
H3C C S
アセチル補酵素A

CoA-HS-CoA

炭素まで変化してゆき、オ
キザロ酢酸が触媒として回
O
H2
C C

収されます。
この一連の反応で酢酸が分解して 2 分子の二酸化炭素を生成しますが、同時

HOOC

HOOC

オキザロ酢酸 COOH

クエン酸

-H2O/H2O

OH
H2
C CH

のビタミンＢ 2 がそれぞれ

HOOC

NADPH と還元型ビタミン

リンゴ酸

HOOC

C COOHH
COOH

H2Oとりん酸を縮合させて ATP
HOOC
フマル酸

C
H

C
H

COOH

HOOC

H2 H
C C

還元型ビタミンＢ 2 はその

FAD/FADH2子の ATP の形で含んでいま

C

COOH

CO2

H2 H2
HOOC C C COOH
コハク酸

HOOC

O
H2 H2
C C C

還元反応に必要なエネルギ
ーをそれぞれ 3 分子と 2 分

O

COOH

を持つ物質で生体内の物質を還元しますが、NADPH と

OH

NADP+/-NADPH

エネルギーは 1 分子の ADP

型ビタミンＢ 2 は還元能力

H2 H
C C

COOH

Ｂ2 まで還元され、発生するで生成する NADPH と還元

COOH

NADP+/-NADPHに 3 分子の NADP+と 1 分子として蓄えられます。ここ

OH
H2
H2
C C C COOH

NADP+/-NADPH

ADP/-ATP
CO2

図6−7 クエン酸サイクル

す。ブドウ糖の解糖による

95

COOH

ピルピン酸への変化、アセチル補酵素 A への脱炭酸反応、クエン酸サイクルを経由する二酸化炭素まで分解過程を総括しますと、1 モルのブドウ糖から 6 モルの二酸化炭素に酸化される過程で、4 モルの ATP と 10 モルの NADPH と 2 モルの還元型ビタミンＢ2 を生成します。結局、ブドウ糖の二酸化炭素への酸化で発生するエネルギーは 38 モルの ATP を生成することに費やされます。
ADP とりん酸から ATP を生成するために要するエネルギーは 7.29kcal/mol と見積もられていますから、38 モルの ATP を生成するためには 277.0kcal が必要になると考えられます。１モルの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 673.0kcal と見積もられていますから、約 41％の熱効率ということになります。
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。火力
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。
栄養として吸収されたブドウ糖は赤血球に結合した蛋白質に包み込まれ、脳や筋肉などのエネルギーを必要とする部位まで赤血球と共に移送されます。移送先でブドウ糖は解糖、脱炭酸反応、クエン酸サイクルの反応により酸化されて、還元能力を持つ NADPH や高い
化学エネルギーを内蔵する ATP を生成します。病気や怪我などにより充分に栄養としてブドウ糖を吸収できない場合には、病院では静脈から直接ブドウ糖を点滴の形で血管の中に注入して活力の供給を維持しています。このように人間は植物が貯蔵したでんぷんを食物として摂取し、体内で水と反応させてブドウ糖に加水分解します。さらに、解糖反応やクエン酸サイクルなどの変化を通して、ブドウ糖を酸化することにより二酸化炭素と水に分解してゆく段階で、NADPH と ATP を生み出し、生命活動の維持に必要な活力にしています。この一連の反応はでんぷんと水が反応してブドウ糖へ分解する加水分解反応と、ブドウ糖から二酸化炭素と水に分解してゆく酸化反応ですから、いずれも水の関与する反応であり水が欠かすことの出来ない重要な働きをしています。

牛を食べると豚になる
人間の食べ物は肉や豆類などの蛋白質、パンやご飯などのでんぷんや糖類、バターやオ
リーブ油などの脂質の 3 種類に大別されます。この 3 種類は人間の生命維持のためのエネ
ルギー源になるばかりでなく、筋肉や種々の機能を持つ臓器などの身体を作る材料にもなる最も大切な栄養です。蛋白質はエネルギーの源になるばかりでなく、筋肉や皮膚や血管や軟骨や五臓六腑と呼ばれる臓器など種々の器官を形作る材料として極めて重要な物質です。でんぷんや糖類などの糖質が人間をはじめとするあらゆる生物にとって最も重要なエ
ネルギーの源になっています。脂質は生物が生命維持のために必要とする親油性の物質の総称で、石油や石炭から作られる炭化水素などは含まれません。脂質にはバターやオリー

96ブ油のように加水分解することの出来る油脂とコレステロールや薄荷脳のように加水分解のし難い不けん化性脂質があります。
これらの食べ物は人間の生命維持に必要な素材の原料ですから、水に溶けなければ栄養として役に立ちませんが蛋白質もでんぷんも油脂も水にあまり溶けやすくありません。そのため、人間は蛋白質を摂取した後に、全てばらばらに加水分解して栄養として吸収して、再度人間に適合した蛋白質に作り直しています。
蛋白質はあまり水に溶けない物質で長時間にわたり水中で煮ていますと、次第に分解して計 22 種類の水に溶けるα-アミノ酸に変化してゆきますから、蛋白質は多くのα-アミノ酸が鎖状に結ばれた物質であると考えられます。このときの反応は図 6−8 に示すように
水が関与しますから加水分解と呼んでいます。しかし、表 6−6 からも分かるように室温の純粋な水の中では蛋白質が半分まで加水分解するためには 300 年以上も掛かります。温度を上げてぐらぐら煮れば多少は反応の時間が短縮されますが、それでも実際的でないほど
長時間を要します。酸性あるいは塩基性の水溶液の中では、水素イオンあるいは水酸イオンが触媒になって図 6−8 のような経路を通り、蛋白質の加水分解は飛躍的に加速されます。
胃の中はかなり強い酸性になっていますから、蛋白質を食べますとある程度は加水分解しやすい条件になっています。しかし、人間は蛋白質を食べて半日ほどの間に完全に加水分解してα-アミノ酸として体内に取り込まなければなりませんから、酸性条件だけでは間に合いません。実際、人間は十二指腸でキモトリプシンなどの種々の加水分解酵素やペプチダーゼを出して、蛋白質のα-アミノ酸への消化を早めています。キモトリプシンはαR1 O
H2N

塩基性条件
R1 O
H2N

C
H

C
H

中性条件

OH

R2 O
H
N

C

C
H

C

C

H2N

C
H

C

OH

H2N

C
H

C

OH

H2O

R1 OH

R2 O
H
N

C

C
H

酸性条件

H

C

OH

H2N

C
H

C

R2 O
H
N

OH2

R2 O
HN

C
H

R1 O

OH

R1 O

R2 O
H
N

C
H

C

H2N

C
H

OH

C

C

OH

OH

R1 O
OH

C
H

R2 O
HN

C
H

C

R1 OH
OH

H2N

C
H

OH2

C

R2 O
H
N

C
H

C

OH

OH

H
R1 O
H2N

C
H

C

R1 OH

R2 O
H2N

C
H

C

OH

H2N

C

HN

C
H

C

OH

OH

OH

図6−8

C
H

R2 O

ペプチド結合の加水分解

アミノ酸の並び方や分子の大きさやその絡まり方などの 3 次元的な構造が最もよく研究されている消化酵素で、食物の蛋白質を加水分解する機構までかなり明らかになっています。

97

X 線結晶構造解析により明らかにされたキモトリプシンを構成する約 240 のアミノ酸が結合した蛋白質の鎖の絡まりあった形を図 6−9 にリボンの塊のように示しましたが、これによると蛋白質の鎖により大きな口を開けた分子になっています。このキモトリプシンの口の中には、セリンの CH2OH の原子団とアスパラギン酸の CH2COOH の原子団とヒスチジンのイミダゾール環が歯や舌のように突き出しています。蛋白質がキモトリプシンの口の中に首を入れますと、丁度そこには歯や舌のようにセリンとアスパラギン酸とヒスチジンの側鎖が待ち構えています。この歯や舌のような 3 つのアミノ酸の側鎖部分は連携して水素イオンをペプチド結合の酸素原子に与えますから、図 6−8 の酸性条件のように反応が加速され加水分解が進行してゆきます。キモトリプシンの口の中に水素イオンが待ち構えていますから、この加水分解の反応は蛋白質が口に入る速さに依存し非常に早く進行します。
このようにキモトリプシンの小さな口の中では、決まった位置に歯や舌のようにセリンとアスパラギン酸とヒスチジンの側鎖が待ち構えていま
すから、α-アミノ酸だけしか口の中に入ることができませんし、加水分解
反応を加速することもできません。キモトリプシンばかりでなく種々の加水分解酵素やペプチダーゼも同じよ
うな口付きをしています。このように
キモトリプシンをはじめとする消化酵素と蛋白質の関係はあたかも精巧にできた鍵と鍵穴のような関係にあります。
牛肉の蛋白質も豚肉の蛋白質も大豆の蛋白質も全てα-アミノ酸がペプチド結合で鎖状に結ばれた構造をしています。しかし、それぞれの蛋白質を構成しているα-アミノ酸の種類や並び方はその蛋白質の機能により異なります。牛肉は牛の筋肉ですから強い繊維の性質を持っており、多くのグリシンやアラニンで構成されています。牛乳にふくまれる蛋白質のカゼインは構成アミノ酸としてセリンを比較的多く含み、その水酸基のりん酸エステ
ルが界面活性剤の性質を示し、乳化剤の働きをしています。また、キモトリプシンの構成
アミノ酸の中にはセリンとヒスチジンがなければその機能を示すことができません。同じように、人間の身体を作っている蛋白質にも筋肉や内臓や毛髪などそれぞれの機能に応じて、構成するα-アミノ酸の種類も並び方も違います。そのため、人間は種々の蛋白質を食べ物として摂取し、消化器の中でキモトリプシンなどの消化酵素の助けを借りて全てα-アミノ酸に分解します。α-アミノ酸は水によく溶ける性質を持っていますから腸で吸収された後、血管を通って各部に配達され、そこで人間の身体に必要な蛋白質として組み直され98

ます。蛋白質の加水分解とα-アミノ酸の縮合反応による蛋白質の形成は平衡反応で、加水分解酵素やペプチダーゼなどの酵素はこの両方向の反応を触媒する働きを持っています。
例えば、血管を通して配達されたα-アミノ酸は筋肉にあるペプチダーゼの触媒作用により、速やかに縮合して蛋白質を形成して筋肉になります。逆に、栄養不足により体内のα-アミノ酸が不足すると、筋肉などの蛋白質がα-アミノ酸に加水分解され、よりα-アミノ酸を必要とする部位に供給されます。結果として筋肉が少なくなって痩せていきます。
軟骨や腱や靭帯や皮膚や血管などを形作っている張力に優れた繊維状の蛋白質はコラーゲンと呼ばれ、プロリンとヒドロキシプロリンとグリシンが鎖状に結合したものです。
プロリンやグリシンは牛肉などの蛋白質にも含まれているα-アミノ酸ですが、ヒドロキシプロリンは他の蛋白質にはあまり含まれていません。骨と骨の間で衝撃を和らげる役目をする軟骨は、人間にとっては極めて大切な部品です。また、肌を若々しく保つためには、皮膚の新陳代謝を活発にすることが大切です。当然、コラーゲンは大切な蛋白質ですが、その原料となるヒドロキシプロリンを通常の蛋白質から摂取することは容易でありません。
蛋白質が消化されてα-アミノ酸に加水分解されるように、牛のすじ肉や鶏の皮や軟骨などに多く含まれるコラーゲンもヒドロキシプロリンなどに分解してゆきます。このヒドロキ
シプロリンなどが体内で、コラーゲンに再生されて、軟骨や腱や靭帯や皮膚や血管などを形作ってゆきます。コラーゲンからはコラーゲンを再生しますが、栄養不足になればコラーゲンも筋肉など通常の蛋白質の原料にもなります。
蛋白質のペプチド結合が加水分解され、α‑アミノ酸として腸で吸収され、身体の各部で再びアミンとカルボン酸の原子団が縮合してペプチド結合を結んで蛋白質となります。
このように牛肉を食べても、大豆を食べても結局筋肉になりますが、このとき非常に精巧な鍵と鍵穴の関係のようにα-アミノ酸が関与しています。この一連の反応は蛋白質と水が反応してα‑アミノ酸へ分解する加水分解反応と、多くのα‑アミノ酸から水が失われて蛋白質になる縮合反応ですから、いずれも水の関与する反応であり水が欠かすことの出来ない重要な働きをしています。人間の身体の中で起こる蛋白質の変化を総括すると、非常に精巧な機構により牛肉を食べ過ぎると豚のように太ってしまうことになります。我が家の格言では「牛を食べると豚になる」となります。

水に溶け難い油を溶かす水
人間の食べ物は肉や豆類などの蛋白質、パンやご飯などのでんぷんや糖類、バターやオ
リーブ油などの脂質の 3 種類に大別されますが、この 3 種類の中の脂質は生物が生命維持のために必要とする親油性の物質の総称で、石油や石炭から作られる炭化水素などは含まれません。脂質にはバターやオリーブ油のように加水分解することの出来る油脂とコレス
テロールや薄荷脳のように加水分解のし難い不けん化性脂質があります。油脂はグリセリ
ンの３つの水酸基に種々の脂肪酸がエステル結合で結ばれた混合物ですから、あまり明確な融点のない柔軟性のある物質です。しかし、一般に液状の油脂を油、固体になりやすい

99

油脂を脂肪と呼んでいますから、オリーブから獲れる油脂はオリーブ油、すき焼きの始めに鍋に塗りつける白い油脂は牛脂と言い慣わしています。
油脂を水酸化ナトリウム水溶液と煮ると、油脂はグリセリンと脂肪酸に加水分解され、水酸化ナトリウムの塩基性により脂肪酸が中和されてナトリウム塩の形で固まってきます。
この脂肪酸のナトリウム塩を石鹸として洗剤に用いています。加水分解されて生成するグ
リセリンは分子の中に多くのアルコール性水酸基を持っていますから、どのような割合でも水に混ざり溶けてゆきます。脂肪酸もそのカルボン酸部分が塩基性ではイオン化するた
めに水に溶け込む性質を持ちます。アルコール性の水酸基とカルボン酸から脱水して縮合するときにエステル結合ができ、生成してくる化合物をエステルあるいはカルボン酸エステルといいます。エステル結合の部分は弱い塩基性の酸素原子を持っていますが、陽イオ
ンになりやすい水素原子を持っていませんから、水素結合をすることも出来ませんし、イ
オン性も示しません。水に溶け易いアルコールとカルボン酸が縮合してエステル結合を形成すると、生成物は水に溶け難くなります。
最も分子量の小さな油脂と思われるトリ酪酸グリセリンエステルの燃焼熱は 1941.1
kcal/mol と見積もられていますが、その油脂の加水分解生成物と考えられる酪酸とグリセ

リンの燃焼熱はそれぞれ 524.3kcal/mol、397.4 kcal/mol と見積もられています。グリセリンと 3 モルの酪酸の燃焼熱の総和は 1970.3kcal と計算できますから、油脂を加水分解するとその燃焼熱の差に相当する 29.2kcal/mol のエネルギーを発熱すると計算できます。逆にわずか 10kcal/mol ほどのエネルギーでエステル結合を形成することができると見積もることができます。反応が水や触媒の量などの影響も受けることから、グリセリンとカルボン酸が縮合して油脂を形成する反応は生体内で容易に進行する平衡反応と考えることが出来ます。原料は水に溶け、生成物は水に溶け難いという点およびエステル結合が比較的小さな
エネルギーで進行する平衡反応である点から、油脂が生物の素材として適していることを示しています。
人間は油脂を食べるとキモトリプシンと同じようなリパーゼなどの加水分解酵素を分泌して、グリセリンと種々
表 6−7 人間の脂肪の組成の脂肪酸に分解して腸で吸収します。体内に吸収されたグリセリンと脂肪酸は再脂肪酸名

び酵素の助けを借りてエス

炭素数

不飽和数

重量％

ミリスチン酸

1402.7

テル結合を形成して人間にパルミチン酸

16

0

24.0

必要な油脂に組み直されま

ステアリン酸1808.4

す。人間の脂肪は各部によパルミトオレイン酸

16

1

5.0

り構成する脂肪酸の割合は

オレイン酸

18

1

46.9

リノール酸

19

2

10.2

変わりますが、その平均値
は表 6−7 に示すようにパ

その他の不飽和酸100

2.5

ルミチン酸とオレイン酸を多く含んでいます。このようにして人間の体内に合成された脂肪は効率的なエネルギーの源となりますが、同時に比較的に熱伝導度が悪いために、体内の温度を保温する効果を持ちます。
油脂は大きな炭化水素部分を 3 つも持っていますから、水に溶け難い性質を示します。
3 つの脂肪酸の部分の内の 1 つが加水分解されて代わりにりん酸で置き換わったりん酸エ

ステルは水に溶け難い脂肪酸の部分と水に溶け易いりん酸の部分構造を持っていますから、界面活性の性質を示し、細胞膜を形成するリン脂質と呼ばれています。さらに、このリン脂質のアミノエタノールエステルはより強力な界面活性の性質を示すため、血液中に種々の脂質を混ぜ込む乳化剤として体内で重要な働きをしています。例えば、卵黄の中にはフォスファチジルコリン（レシチン）が含まれていますが、このフォスファチジルコリンは
図 6−10 に示すように、水に溶け難い脂肪酸の部分構造と陽イオン性のコリン部分を持つ
りん酸陰イオンをグリセリンでエステル結合した構造を持っています。ただし、R は直鎖の炭素数 11〜17 の炭化水素鎖をあらわしています。脂肪酸部分は水と仲の悪い性質を示し、陽イオンと陰イオンを両方持った両性イオンの構造は水と仲良しの性質を示しますから、
フォスファチジルコリンは界面活性剤の働きをするために、乳化させる働きをしています。
油脂は人間の身体にとって極めて重要な働きをする細胞膜や脂質乳化剤のリン脂質の原料になっています。フォスファチジルコリンなどはりん脂質と呼ばれる界面活性剤の一種で、卵黄だけでなく多くの生物体に含まれ、二重膜の形で細胞膜などの生体膜を構成しています。このように水に溶け易い脂肪酸とグリセリンと水に溶け難い油脂の間には、油脂と水が反応して脂肪酸とグリセリンへ加水分解反応による分解と、逆に脂肪酸とグリセリンから水が失われてエステル結合を形成することによる油脂の形成が容易に進行し、いずれも水の関与する反応であり水が欠かすことの出来ない重要な働きをしています。
O

O

C
R
C
O

C

R

O

O

CH
C
H2

O

H2
C

O

C
P
H2 O
O

C
H2

R
NH2

C
O

ホスファチジルエタノールアミン

R

O

O

CH
C
H2

O

H2
C

O

C
P
H2 O
O

C
H2

ホスファチジルコリン

N

CH3

CH3
CH3

図6−10 生体膜を構成する主なリン脂質

カルシウム濃度で変わる水の硬さ
水は水素結合をしているために、水を構成している水素原子は若干ながら正電荷を帯び、酸素原子は同じく僅かに負電荷を帯びています。一方、イオン結合性の物質は水の中で陽イオンと陰イオンに解離し、両イオンはそれぞれ電荷を帯びます。この電荷を帯びたイオンが正負に若干電荷を帯びた網目の中に入り込んでも、そのイオンの電荷が水の水素原子と酸素原子上に帯電したわずかな電荷により打ち消されるように分散されるために安定化し、水素結合を切ることによるエネルギーの損失を補いますから、水酸化ナトリウム、塩

101

化水素、硫酸、食塩、塩化マグネシウムなどのイオン結合性の物質は水によく溶けます。
地球の大気は窒素と酸素だけで構成されていますが、その窒素と酸素は全くイオン性を持たない気体で表 5−1 に示すように水にほとんど溶けませんから、上空の雲から大気中を通過してきた雨水は通常わずかに大気中に浮遊している塵や二酸化炭素を溶かしこんでくるに過ぎません。しかし、1970 年代にはイギリス、フランス、ドイツなどの西ヨーロッパの工業地帯では、脱硫することなく多量の石油が消費されていましたので、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ヴ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。その後、工業設備の改善と排出ガスの規制により、現在の雨水中には余り多くの不純物が溶け込んでいないと思われます。このように比較的不純物の少ない水を軟水と呼んでおり、比較的生活用水として適しています。
地殻中には種々のイオン結合性の岩石が多量に含まれており、その地中を流れてきた地下水は不純物を含まない雨水と異なり、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどの金属の陽イオン、塩素イオン、硫酸イオン、炭酸イオンなどの陰イオンを溶かし込んで地上に湧き出してきます。堆積岩は石灰石や大理石の形で炭酸カルシウムを約 4％含んでいますか
ら、多量の炭酸カルシウムや炭酸水素カルシウムを溶かし込んだ地下水が各地に湧き出しています。特にイタリアやギリシャなどの地中海の周辺地方は大理石に覆われていますから、その地方に湧き出している地下水は非常に高い濃度で炭酸カルシウムや炭酸水素カル
シウムを溶かし込んでいます。炭酸カルシウムは塩基性を示す化合物で酸を中和します。
式 6−5 には炭酸カルシウムと酸の反応を示しましたが、はじめに炭酸カルシウムは一部中和されて炭酸水素カルシウムとカルシウムイオンになり、さらに中和されて炭酸とカルシ
ウムイオンに変化しますが、炭酸は式 6−4 のように水と二酸化炭素に分解してゆきます。
結局、炭酸カルシウムは酸で中和して二酸化炭素を発生しながら中性のカルシウム塩を生成します。
人間の胃の中はかなり強い酸性に整えられていますから、炭酸カルシウムを多く含む水を飲むと酸の中和反応が起こり、酸性度は下がってしまいます。当然胃の機能が低下して多くの人は消化不良を起こしてしまいます。日本は火山国ですから、あまり炭酸カルシウ
ムの溶け込んだ地下水が湧き出しておりませんが、石灰石を主体とした地殻に覆われているヨーロッパでは炭酸カルシウムを多量に含む地下水が各地に湧き出しています。ヨーロッパの旅行中に多くの日本人が消化不良を起こしますが、高い濃度で炭酸カルシウムの溶けた生水を飲んでしまったことがしばしば原因となっています。反対に、胃酸過多の症状を持つ人にとっては胃の機能を向上させる働きを持ちますから、炭酸カルシウムの多く溶けた水をクスリのように飲用します。また、多少炭酸カルシウムを含む水はお茶の味を引き立たせると云われて昔から日本でも珍重されています。このように炭酸カルシウムの濃102

度が飲み水の品質に大きく影響を与えていますから、水中に含まれる炭酸カルシウムの濃度（ppm または mg/L）を硬度として表しています。 日本では水の硬度が 100ppm 以下を軟
水、220ppm 以上を硬水として定義しています。私は永年軟水に慣れ親しんできたこともあって、余り硬度の高い水を好みませんが、ヨーロッパの人は硬度が高く二酸化炭素を多く含む水をミネラルウォーターと呼んで珍重しています。ちなみに、泡が出るほどに二酸化炭素を含んでいる水を炭酸水（英語では Carbonated Water）と呼んでいます。

103

7.

高が水、然れど水

くの字型の分子が網目状に絡み合った水
太陽を周回する 10 個の惑星の中で、大きな脱出速度を持ちしかも大気の温度が低い木星や土星や天王星や海王星では脱出分子量が極めて小さな値ですから、分子量の最も小さな
水素やヘリウムの分子でもほとんど惑星から脱出することがなく、宇宙の元素組成をほぼ維持してきました。これらの惑星に対して、大きさが小さくしかも太陽に近い金星と火星では脱出速度が小さく大気の温度が高いために、水素やヘリウムばかりでなくメタンやアンモニ
アや水まで惑星外に飛び去ってゆきました。地球は、適当な半径の軌道を周回する適当な大きさの惑星ですから、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、酸素や窒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。
水の分子は水素 2 原子と酸素 1 原子で構成されている地球上に存在する分子としては 6番目に小さな分子量 18 の極めて小さな分子ですが、水の氷点は 0℃、沸騰点は 100℃です
から、地球上では主に液体の状態で存在します。中東などの油田で産出する石油は非常に大量に自然界に存在する液体ですが、そのような大量の石油も大型のタンカーを海に浮かべて運搬していますから、海の水の量に比べれば石油は微々たる量に過ぎません。水は地球上に普遍的に存在する圧倒的に大量に存在する液体です。
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、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くて負電荷を持つ電子が広く分布しています。2 つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用して静電的な引力が働きますから、電子は両方の原子核に引き付けられるような力を受けます。結果として 2 つの電子がそれぞれ静電的な引力により 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。このとき働く静電的な引力は原子核と電子が持つそれぞれの電荷の積に比例し、原子核と電子の間の距離に反比例します。水は酸
素と水素の 2 つの異なる原子が共有結合していますから、それぞれの原子核の正電荷も原子半径も異なります。そのため、酸素原子に属する電子と水素の原子核の間に働く静電的な引力と酸素の原子核と水素原子の電子に働く静電的な引力は当然異なってきます。そのため両者の原子核が電子を引き付ける力にも差が生じて、原子間で電子の偏りが生まれます。結果として、結合に関与する 2 個の電子は若干酸素の原子核に引き付けられますから、酸素原子の近くに電子が引き付けられて、酸素原子は負電荷を帯び、水素原子は結合する
ことにより電子が若干減少して正電荷を帯びます。
このように結合の間に電荷の偏りのある分子を電場の中に置きますと、分子の電荷と電104

場の間には双極子モーメントと呼ばれる力が働きます。この双極子モーメントの測定結果
から、水の酸素−水素結合は 67.2％の共有結合の性質と 32.8％のイオン結合の性質を持つ
ものと算定されます。さらに、水の分子は 104.45°の結合角でブーメランのようにくの字型に水素 2 原子が酸素 1 原子と結合した構造を持っていることが結論付けられます。
一般に、直接結合した原子の間には一定の距離が保つようにエネルギーの安定化が起こ
りますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来する van der Waals 力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分子間力と呼ばれる相互作用が起こります。他方、分子の持つ運動エネルギーは低温では小さく温度が高くなるほど大きくなり激しく運動します。分子の間に働く分子間力と分子の持つ運動エネ
ルギーの釣り合いの度合いにより、分子が集合した物質は固体と液体と気体のいずれかの状態になります。温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さい
ときには、固体の状態になり、分子間距離が小さくなるように分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エ
ネルギーが大きくなりますと、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。さらに分子の運動エネルギ
ーが分子間力よりも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、気体となって自由な世界に飛び出してゆきます。
分子の中に電荷の偏りがありくの字型に曲がった水の分子が集合する時には、わずかな電荷を帯びている水素原子と酸素原子の間の静電的な引力の他に、水の酸素原子が水素陽イオンと配位結合する性質を持っています。そのため、水分子の水素原子が隣の水分子に結合を変更してゆく交換が瞬時に起こるため、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 つの酸素原子に結合しているような性質を示します。この瞬間的な配位結合による引力と分子に間に働く静電的な引力を総合して水素結合といい、水の場合には
約 6kcal/mol と見積もられています。1Ｌの液体の水は 3.3ｘ1025 個の水分子が集合していますが、液体の水は沢山のくの字型に曲がった水分子が水素結合により互いに引き付け合い、3 次元の網目状に絡み合った一塊として挙動すると考えられます。水の分子間で引き付け合い絡み合うこの水素結合は大きな分子間力として働きますから、水の分子が集合した時には分子の間に働く分子間力と分子の持つ運動エネルギーの釣り合いの度合いが他の多くの物質とは異なってきます。そのため多くの物質と異なり、固体と液体と気体の間の状態変化を含めて、水はかなり特異な挙動や性質を示します。水は地球上の至るところに存在し、極めて普遍性が高く生活に密着した液体ですから、水が標準的な性質を示す代表的な液体のように思われますが、意外に特異的な挙動や性質を示す例外的な物質として認識すべきかと思います。

あらゆる自然現象や日常生活に関わる水
多くの水分子が集合している液体の水は沢山のくの字型に曲がった水分子が水素結合

105により互いに引き付け合い、3 次元の網目状に絡み合って一塊になっています。この網目状の一塊に絡み合っているしがらみから、水分子の飛び出すことは容易ではありませんか
ら必然的に気体になり難く沸点が高くなっています。また、水素結合で整然と水分子が結ばれた氷の結晶からその強い分子間力に打ち勝って分子が自由に運動する液体の状態になるためには大きな運動エネルギーを必要としますから、融点も高くなります。水素結合を含めてこの強い分子間力で絡み合っている液体が運動するためには大きな運動エネルギーを必要としますから、加えられるエネルギーが運動エネルギーに費やされてしまい、温度の上昇にあまり費やされません。結果として水は大きな比熱を持ち、暖め難く冷め難い性質を示します。特に状態変化を伴う融点や沸点においては、大きなエネルギーが分子間力の変化に費やされますから、大きな融解熱や気化熱を要します。さらに、分子の並び替え
により分子の間隔が変化しますから、水は 4℃の液体の時に最も体積が小さくなり、結晶化する結氷に際して体積の膨張が起こります。しかも、水分子が 3 次元の網目状に絡み合って一塊になっていますから、液体の状態でも水分子の運動が制限され、高い表面張力と粘性を示します。
水はその分子同士が水素結合などの分子間力により 3 次元の網目状に強く絡み合って一塊になっていますから、高い沸点と融点を示し、大きな比熱と融解熱と気化熱を持ち、高い表面張力と粘性を示し、温度上昇に際して複雑な体積変化を伴います。水は他の多くの物質と比較していくつかの特異な性質を示していますが、当然、液体が持つ沸点上昇や凝固点降下や浸透圧などの基本的な性質も示しています。このように独特の性質を示す水が地球の表面の 70％を覆っていますから、地球の自然は大きく水の性質に依存しています。
大きな融解熱と気化熱を示す水に大量の食塩などが溶け込んでいますから、太陽から供給されるエネルギーが大きく変化しても、海水は凍結も沸騰もすることなく水温が 0〜100℃に保たれます。しかも結氷により大きな体積膨張を伴い、4℃の液体の時に最も体積が小さ
く比重が重くなり沈殿しますから、北極海や南氷洋においても氷山は海上に浮かび、深海の海底では対流することもなく水温が 4℃の液体として保たれます。
さらに、水が大きな比熱を示しますから、海水は温まり難く簡単には冷えません。そのため、太陽からのエネルギーが大量に供給される夏季でも海上では比較的気温が上がりま
せんが、エネルギー供給の少ない冬季でも気温があまり下がりませんから、気候が温暖になります。これに対して、海水に被われていない大陸では、夏季は気温の上昇が大きく、冬季は厳しい寒気に包まれます。このように夏季と冬季で海上と陸地の間に相対的な気温の逆転が起こりますから、大気の対流する方向も逆転し、日本では夏季は太平洋高気圧から南風が吹き込み、冬季は西高東低の気圧配置になって大陸から寒気が吹き込みます。さらに、海上の水蒸気を多く含む大気の対流により沿岸部に多くの降水がもたらされます。
水は沢山のくの字型に曲がった水分子が水素結合により 3 次元の網目状に絡み合って一塊に集合していますから、物質が溶質として水の中に溶け込むときには水素結合の安定化を犠牲にしなければなりません。そのため、水素結合の編目の中にでも安定に入り込む106

ことのできるイオン性の塩や酸や塩基の他に、水と水素結合できるアルコール類やアミン
類は水の 3 次元の網目状に絡み合って一塊の中に溶け込むことができますが、電子の偏りの少ない炭化水素などの油はほとんど溶け込みません。水との仲の良し悪しは水素結合により決まり、水の仲良しは油と仲違いし、油は油の仲間と仲良くします。
地球上の全ての生物は非常に多くの複雑な機能を担う種々の物質が生命活動を維持しています。簡単な物質から生命活動の維持に必要な複雑な物質へ変化してゆくときには、多くの元素の集合してゆく出会いの反応が主体となります。純物質の分子の動きは限られていますが、溶液では溶質の分子はその溶液の中を自由に動き回ることが出来ますから、溶媒に溶けた 2 種類の溶質の分子は容易に衝突することができ、出会いの反応が進行します。地球上に存在する液体はほとんど水だけに限られていますから、必然的に生物は水に良く溶ける物質を素材として出会いの反応を繰り返しながら水の中で誕生し進化してきました。しかも、生物が水に溶け易い身体をしていたのでは海の中を泳いでいる間に溶けてしまい生物の複雑な組織を維持できませんから、生物自体は水に溶けない形をしています。
人間も生物の一種に過ぎませんから、水に溶ける素材から水に溶けない身体を作り上げています。肉や野菜や穀物の中に含まれる蛋白質やでんぷんや脂肪を消化器官で水と反応させてアミノ酸やブドウ糖や脂肪酸やグリセリンなどの素材に分解し、水に溶ける状態で体内に吸収しています。水に溶けたこれらの素材は血管を通して運ばれて身体の各部で再びそれぞれの機能を担う複雑な物質に変化して生命活動を維持しています。このような食に関することばかりでなく衣に関しても住に関しても、あらゆる面で水の性質が日常生活に関わっています。水なくしては 1 日の生活も続けることはできませんが、2011 年 3 月の東日本大震災の折に三陸海岸を襲った大津波のように多数の人間の命を一瞬にして飲み込
むような恐ろしい力も持っています。
本書では人間の生活の中で深く関わっている水を一つの物質として化学の知識を織り交ぜながら独善的に調べ、水素原子と酸素原子により構成される水分子の性質から派生す
る水の持つ特異的性質を見てきました。さらに、その水の特異的な性質が地球の自然現象
や日常生活に与えている種々の影響についても考えてきました。このようにあらゆることに影響を与える水の基本的な性質を化学的な知識と技術をもとに、日常生活の中で有効な利用を考えることは極めて有意義なことと思われます。本書で水の基本的な性質を少しでも深く知ることにより、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、逆に多くの化学的な技術や知識が日常生活を快適にする新たな水の利用を生み出す助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。
本書が水に関する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。

107

索引

あ
Einstein ...........................................10, 27

エンタルピー 37, 38, 57, 58, 59, 62, 68, 69
エントロピー37, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 46,
48, 57, 58, 59, 60, 62, 68, 69, 77, 87

アクチニド金属元素 .............................. 12かAvogadro ............................................... 28

アミノ酸 .................88, 93, 97, 98, 99, 107

解糖 .................................................. 95, 96

雨冠 ......................................................... 6

界面活性剤 .. 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 88,

アルカリ金属元素 .............................14, 17

89, 98, 101

アルカリ土類金属元素 ........................... 14

解離定数 ............................... 25, 63, 67, 71

α壊変 .................................................... 13

核分裂 .................................................... 13

Arrhenius.............................................. 56

可視光線 ......................... 28, 29, 30, 35, 91

いイオン化エネルギー .............14, 15, 16, 17
イオン結合 ...17, 20, 21, 23, 25, 26, 38, 60,
62, 69, 73, 87, 101, 102, 105

イオン性界面活性剤 .........................73, 75
異性化 .................................................... 93
陰イオン 14, 15, 16, 20, 21, 23, 61, 70, 74,
75, 82, 84, 87, 88, 101, 102

陰イオン界面活性剤 .............................. 74

加水分解 ... 70, 75, 96, 97, 98, 99, 100, 101
加水分解酵素 .............................. 97, 98, 99
火成岩 .............................................. 82, 84
活性化エネルギー................. 56, 57, 66, 88
空の軌道 ................................................. 62
還元 ................................ 91, 92, 93, 95, 96
感光物質 ................................................. 31
γ壊変 .................................................... 13
γ線 ...................................... 28, 29, 30, 91

きう
海風 ..................................................85, 86
運動エネルギー..27, 38, 39, 40, 41, 44, 46,
48, 49, 51, 52, 78, 79, 105, 106

えATP ............................................93, 95, 96

液化熱 .................................................... 42
エステル結合 ....................93, 99, 100, 101
X 線.................................21, 28, 29, 91, 98
NADPH ..........................91, 92, 93, 95, 96

エネルギー不滅...................................... 37
塩基性62, 63, 64, 65, 66, 67, 71, 74, 88, 97,

希ガス元素 ....................................... 12, 16
気化熱 .............. 42, 43, 44, 46, 85, 86, 106
Gibbs...................................................... 37

キモトリプシン ........................ 97, 98, 100
Cameron ................................................ 80

吸光係数 ................................................. 32
吸熱反応 ................................................. 38
凝固点降下 ......................... 52, 53, 54, 106
凝固点降下度 .................................... 52, 54
共役塩基 ......................... 62, 63, 64, 66, 67
共役酸 ...................... 62, 63, 64, 65, 66, 67
共有結合 17, 18, 19, 20, 22, 23, 25, 26, 29,
32, 35, 38, 91, 104, 105

100, 102108

金属結合 ................................................ 38

く100, 101, 104, 105, 107

3 態 ................................................... 40, 46

しCoulomb .................................................... 9
くの字型9, 25, 26, 33, 58, 68, 70, 104, 105,

紫外線 ...................... 28, 29, 30, 32, 35, 91
視覚中枢 ........................................... 31, 32

106

グリセリン ............................................. 68

色相環 .................................................... 31

グリセリンエステル ...........67, 70, 88, 100

σ結合 .............................................. 18, 20

け
結合エネルギー..18, 19, 22, 26, 29, 33, 38,
58, 91

結合距離 .........................18, 19, 25, 32, 38
結合モーメント.................................23, 24
原子核 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 20, 29, 32,
104

原子爆弾 ................................................ 13
元素記号 .....................................11, 12, 82

こ工業用水 .............................................7, 77
合金 ..................................................51, 52
硬水 ....................................72, 74, 75, 103
降水量 ...........................................3, 4, 5, 7
光電効果 ................................................ 27
コラーゲン ............................................. 99

質量数 .............................................. 12, 13
脂肪 ........ 67, 68, 70, 71, 88, 100, 101, 107
脂肪酸 ... 67, 68, 70, 71, 72, 73, 75, 88, 99,
100, 101, 107

自由エネルギー .................... 37, 57, 58, 88
周期表 ............................ 10, 11, 12, 16, 23
縮合 .................................... 92, 95, 99, 100
主量子数 ............................... 10, 14, 15, 16
Schrodinger............................................ 10
昇華 ........................................................ 46
消化酵素 ........................................... 97, 98
蒸気圧 .............................................. 44, 45
状態図 .................................................... 41
蒸留 ........................................................ 46
Jones...................................................... 38

伸縮運動 ..................................... 32, 33, 35
浸透圧 ...................................... 77, 90, 106
振動数 ........................................ 27, 29, 80

さす
最外殻電子 ......................10, 12, 14, 16, 17
細胞膜 ...................................3, 76, 90, 101
酸化 .24, 25, 33, 35, 43, 44, 46, 59, 61, 67,

水酸イオン ....................................... 25, 97
水素結合 20, 25, 26, 29, 32, 33, 41, 43, 44,
47, 49, 58, 59, 60, 68, 69, 70, 73, 75, 87,

70, 75, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 88, 91, 92,
93, 95, 96, 100, 103
3 重結合 ............................................18, 60

88, 100, 101, 105, 106

水素原子 12, 17, 20, 21, 22, 23, 25, 32, 58,
60, 62, 68, 75, 87, 100, 101, 104, 105,

三水(氵) ................................................... 6
酸性 .25, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 71, 73, 74,
75, 83, 88, 97, 102107

水素陽イオン12, 21, 25, 60, 62, 63, 65, 66,
67, 71, 75, 83, 105

酸素原子 ..9, 17, 25, 32, 58, 60, 75, 87, 98,109

水道 ..................................................3, 4, 6呈色反応 ................................................. 83

スペクトル ............................29, 30, 31, 33

電荷9, 12, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 25, 35, 36,
38, 58, 59, 60, 68, 69, 70, 87, 101, 104,

せ生活用水 .....................3, 4, 5, 6, 7, 77, 102
正 4 面体構造 ......................................... 24
静電的な引力 .9, 17, 20, 21, 25, 26, 38, 58,
104, 105

生物化学的酸素要求量 ........................... 73105

電荷の偏り ......... 21, 23, 25, 58, 68, 69, 70
電気陰性度 ................................. 22, 23, 25
典型金属 ................................................. 12
電子9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20,
21, 23, 25, 27, 29, 32, 35, 38, 51, 58, 60,

精油成分 ................................................ 67
赤外線 ...........28, 29, 30, 32, 33, 34, 35, 91
石鹸 ..................70, 71, 72, 73, 74, 76, 100
遷移金属元素 ....................................10, 12

そ62, 75, 104, 105, 107

電子親和力 ................................. 15, 16, 17
電子対 .................................................... 62
電子の偏り ................... 20, 21, 22, 23, 104
電磁誘導 ................................................. 27

双極子モーメント21, 22, 23, 24, 25, 33, 35,
36, 105

相対湿度 ................................................ 45

たと同位元素 ........................................... 12, 13
凍結乾燥 ................................................. 46
土類金属元素 .......................................... 14

堆積岩 .......................................82, 84, 102
太陽系 .........................9, 78, 80, 81, 84, 89
脱出速度 .......................78, 79, 80, 81, 104

な
軟水 ........................................ 72, 102, 103に脱出分子量 ............................................. 80
脱水 ....................................................... 95

2 重結合................................ 18, 33, 60, 94

脱炭酸 .................................................... 95

二重膜 ............................................ 76, 101

玉川上水 .................................................. 4

乳化 .................................... 70, 73, 98, 101

炭化水素 40, 41, 47, 58, 60, 67, 68, 69, 70,

Newton .............................................. 9, 27

71, 74, 75, 89, 96, 99, 101, 107

単結合 ...............................................18, 32
炭酸 ..................61, 64, 72, 83, 84, 96, 102
炭水化物 ................................................ 88
蛋白質 ....26, 46, 51, 88, 93, 96, 97, 98, 99,

ね
熱力学の 3 法則 ................................ 37, 55
粘性 .............................. 39, 48, 49, 51, 106
粘度 .................................................. 49, 50

107

の
て

農業用水 ............................................. 7, 77

出会いの反応55, 56, 63, 86, 87, 88, 92, 93,
107
110

は
配位結合 ...........17, 20, 25, 26, 32, 62, 105
π結合 .................................................... 19
波長 .13, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35,

Brønsted .................................... 62, 66, 71

分液ロート ............................................. 70
分子双極子モーメント ... 23, 24, 25, 35, 36
分子量23, 40, 41, 43, 49, 51, 52, 53, 54, 59,
77, 79, 80, 81, 100, 10491

発熱反応 ................................................ 38
ハロゲン元素 ....................................16, 17
半減期 .........................................12, 88, 89
半透膜 .........................................76, 77, 90
反応座標 ................................................ 56へ平衡反応 ....................... 57, 83, 88, 99, 100
β壊変 .................................................... 13
変角運動 ........................................... 33, 35

ほ反応速度定数 ........................55, 56, 57, 63
万有引力 .............................................9, 78

Bohr .........................................................9

万有引力定数 ......................................... 78

放射能 .............................................. 12, 28

ひpH.....................................................71, 72
非イオン性界面活性剤 ......................73, 75

pKa.....................25, 63, 64, 65, 66, 71, 74

飽和水蒸気圧 .......................................... 45
Pauling ............................................ 22, 23

補酵素 ........................................ 93, 95, 96
補色 ............................................ 31, 32, 91

ま非金属元素 ............................................. 12
比熱 ....................................47, 85, 86, 106

マイクロ波 ..................... 28, 29, 35, 36, 91

標準光 ...............................................30, 31

Maxwell ................................................. 27

表面張力 .............................48, 49, 50, 106

Munsell.................................................. 31

頻度因子 ...........................................56, 58

ふみ
水資源 .............................................. 5, 7, 8

van der Waals 力 ......................38, 58, 105vant Hoff ........................................... 77

フォトン ...........................................27, 28

めМенделе́ ев ...................... 10, 16

付加 ....................................................... 95
Hooke ...............................................33, 34

沸点 .39, 40, 41, 42, 44, 46, 51, 52, 53, 54,
85, 106

沸点上昇 .........................................52, 106

もMorse ..................................................... 17

モノテルペン類 ...................................... 68
モル ........................ 28, 77, 92, 94, 96, 100

ゆ沸点上昇度 ............................................. 52
ブドウ糖 61, 62, 75, 88, 91, 92, 93, 95, 96,
107
Plank................................................10, 27

融解熱 .................... 43, 44, 46, 85, 86, 106
誘磁率 .................................................... 27
融点 . 39, 42, 43, 44, 46, 51, 52, 53, 54, 85,111

99, 106

誘電率 .................................................9, 27
油脂 ............................59, 97, 99, 100, 101

よ陽イオン 12, 14, 16, 20, 21, 23, 25, 60, 61,

り
陸風 .................................................. 85, 86
理想気体の状態方程式 ..................... 39, 77
両性界面活性剤 ................................ 74, 75
リン脂質 ............................................... 101

62, 63, 65, 66, 67, 70, 73, 74, 75, 82, 84,
87, 100, 101, 102

陽イオン界面活性剤 .............................. 74

る
Lewis ..................................................... 62

れ溶液 .32, 36, 52, 54, 58, 62, 69, 70, 71, 72,
76, 77, 83, 84, 87, 88, 90, 97, 100, 107

Lenard ................................................... 38

溶解度 ...........58, 59, 60, 61, 62, 72, 83, 84
溶質 58, 59, 60, 62, 69, 76, 77, 87, 90, 106,107

溶媒 .52, 53, 54, 58, 62, 63, 69, 71, 76, 77,

ろろ過 ........................................................ 76
ろ紙 ........................................................ 76

87, 88, 93, 107

らわ
別れの反応 ........................... 55, 56, 63, 88

ランタニド金属元素 .............................. 12112