1．はじめに
環境有機化学実験では試薬調製，抽出，精製，分析，洗浄などほぼすべての操作において有機溶媒を使用する。各操作において物質・目的に応じた溶媒を用いることは実験成功の鍵である。新規物質を扱う際には，各操作に使用する溶媒を選択しなければならない。これは経験に基づく「エキスパートジャッジ」により行われることがほとんどであろう。しかし分析法検討の段階において，底質試料からの抽出効率が上がらない，固相抽出カートリッジからの回収率が低い，初期ストック溶液の作製で溶け残りが生じる，など溶媒選択に関連する問題に直面することがしばしばある。本稿では対象物質によりどの溶媒を選択すべきか，溶解性の観点から基本の考え方を提示する。
ある物質に対する様々な溶媒の溶解性は，活量係数，分配係数，溶解度などの物理化学的物性値により定量的に比較することができる。これらの物性値は溶質分子―溶媒分子間，及び溶媒分子―溶媒分子間の相互作用により決まる自由エネルギーと関係している。本稿では溶解性に関する理論的な背景について，実験者が直感的に定性的な理解を得られ，活用できるような形に単純化して提示することを試みる。なお実際の溶媒選択においては溶解性だけでなく，前後の分析手順による制約，実験者に対する健康影響，環境への影響，溶媒の価格など考慮するべき点があるが，これらの情報は一般的な溶媒に関しては手に入りやすい。また本稿は中性有機化合物のみを対象とするものであり，酸，塩基，塩など溶液中でイオン種として存在しうる有機化合物や無機物質についてはここで提示する考え方は適用できないことを断っておく。

2．基本の考え方の背景
2．1キャビティモデル
まず，中性有機化合物の溶解を理解する上で役に立つ，キャビティモデルについて紹介する。キャビティモデルでは溶質と溶媒の混合を，3つの状態に分けて考える。
（1）『純溶媒』溶媒分子は熱運動をしながらも，分子間相互作用により引力を及ぼしあっている。
（2）『キャビティ形成』溶媒中に，溶質のサイズに応じたキャビティ（cavity，空洞）が生じている。
（3）『溶液』キャビティに溶質分子が入り，溶質分子と溶媒分子が分子間相互作用により引力を及ぼしあっている。
1の状態とは溶質が溶媒に溶ける前の状態であり，3の状態とは溶けた後の状態である。溶媒の溶解性を考えるには，3の状態の総エネルギーと1の状態の総エネルギーの差を考えればよい。キャビティモデルでは1の状態から3の状態への変化を考えるために，仮定的な中間状態2を考えている。もちろん，実際の現象はこのように3つの段階に分かれているわけではない。しかし，熱力学的なエネルギー変化は経路によらず，始めの状態と終わりの状態のみにより決まるため，1→2のエネルギー変化と2→3のエネルギー変化がわかれば，1→3のエネルギー変化はそれらの和として求めることができる。
1から2の状態に変化する際，キャビティを作るために互いに引き合っている溶媒分子を一部，引き離さなければならない。そのためにはエネルギーが必要である。このエネルギーはキャビティ形成エネルギー cavity formation energy あるいは単にキャビティコスト cavity costとよばれる。溶媒分子同士の引力が強ければ強いほど，引き離すために必要なエネルギーは大きくなり，従ってキャビティコストは大きくなる。また溶質分子が大きければ大きいほど，大きなキャビティが必要となり，より大きなキャビティコストがかかる。つまり「溶媒分子同士の強い相互作用」と「溶質分子の大きなサイズ」は溶解性を下げる方向に作用する。
2から3の状態への変化では，新たに溶質分子と溶媒分子の分子間相互作用（引力）が生じる。この分子間相互作用には様々な種類があり，それぞれの強さは溶質分子と溶媒分子の組み合わせにより決まる。溶質分子と溶媒分子間の引力は溶質を溶媒内に留める方向に作用するため，その引力が強ければ強いほど，溶解性は高くなる。

カテゴリ: 化学
質問: 純溶媒の状態では、溶媒分子はどのような作用により引力を及ぼしあっていますか？
回答: 純溶媒の状態では、溶媒分子は分子間相互作用により引力を及ぼしあっています。