高校生のための有機化学 – 基礎講座Ⅲ

はじめに

※こちらは、「高校生のための有機化学 – 基礎講座Ⅰ、Ⅱ」の続きの記事です。まずは「基礎講座Ⅰ、Ⅱ」を読んでから、本記事をお読みいただくことをおすすめします。

7. 化学平衡

7.1 可逆反応

化学反応は一方向にのみ進行するものではなく、多くの場合、順反応と逆反応が同時に起こる可逆反応です。可逆反応は以下のように表記されます。

A + B ⇌ C + D

この矢印「⇌」は反応が両方向に進行することを示しています。

可逆反応の特徴

1. 動的平衡：反応が平衡に達しても、分子レベルでは常に反応が進行しています。
2. 反応速度：平衡状態では順反応と逆反応の速度が等しくなります。
3. 濃度変化：平衡状態では各物質の濃度は一定になります。

例）N₂O₄の解離

N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g)
無色 茶色

この反応では、N₂O₄が解離してNO₂を生成します。温度が上がると平衡は右に移動し、温度が下がると平衡は左に移動します。

7.2 平衡定数

化学平衡の状態を定量的に表すために平衡定数が使用されます。

平衡定数の定義

一般的な反応 aA + bB ⇌ cC + dD の平衡定数Kは以下のように定義されます。

K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b

ここで、[A]、[B]、[C]、[D]はそれぞれの物質のモル濃度（mol/L）を表します。

平衡定数の特徴

1. 温度依存性：平衡定数は温度によって変化します。
2. 単位：平衡定数は無次元数として扱われることが多いですが、厳密には反応に依存した単位を持ちます。
3. Kの大きさ：
   • K >> 1：平衡は生成物側に偏っている
   • K << 1：平衡は反応物側に偏っている
   • K ≈ 1：反応物と生成物が同程度存在する

気体反応の平衡定数

気体反応の場合、濃度の代わりに分圧（Pa）を用いることがあります。

Kp = (P_C)^c(P_D)^d / (P_A)^a(P_B)^b

濃度を用いた平衡定数KcとKpの関係

Kp = Kc(RT)^Δn

ここで、Δn = (c + d) – (a + b)（生成物の係数和 – 反応物の係数和）です。

7.3 ル・シャトリエの原理

ル・シャトリエの原理は、「平衡状態にある系に外部から変化が加えられると、系はその変化を打ち消す方向に反応が進行する」というものです。

平衡に影響を与える要因

• 濃度変化
  • 反応物の濃度増加 → 生成物側に平衡が移動
  • 生成物の濃度増加 → 反応物側に平衡が移動

• 温度変化
  • 発熱反応（ΔH < 0）：温度上昇 → 反応物側に平衡が移動
  • 吸熱反応（ΔH > 0）：温度上昇 → 生成物側に平衡が移動

• 圧力変化（気体反応の場合）
  • 圧力増加 → 分子数が減少する方向に平衡が移動
  • 圧力減少 → 分子数が増加する方向に平衡が移動

• 触媒
  • 触媒は平衡の位置を変えず、平衡に達する速度のみを速めます。

計算例：平衡定数の利用

問題

解答

8. 分散系と真の溶液

8.1 分散系の基本概念

分散系とは、一つの物質（分散質）が別の物質（分散媒）中に分散している系のことを指します。分散系は分散質の粒子サイズによって分類されます。

分散系の種類

• 真の溶液（溶液）
  • 粒子サイズ：< 1 nm（分子・イオンレベル）
  • 例）砂糖水、食塩水

• コロイド溶液
  • 粒子サイズ：1 nm ~ 100 nm
  • 例）牛乳、ゼラチン、血液

• 懸濁液（サスペンション）
  • 粒子サイズ：> 100 nm
  • 例）砂と水の混合物、チョーク水

8.2 真の溶液

真の溶液は、溶質が溶媒中で分子またはイオンレベルまで均一に分散している系です。

真の溶液の特性

1. 透明性：光を透過し、散乱しない
2. 安定性：重力による沈殿が起きない
3. 均一性：均一な一相系
4. ろ過性：通常のろ紙でろ過できない（粒子が小さすぎる）
5. 拡散性：溶質分子は速やかに拡散する

溶液の濃度表現

質量パーセント濃度（w/w%）

質量パーセント濃度 = (溶質の質量 / 溶液の質量) × 100%

モル濃度（mol/L）

モル濃度 = 溶質のモル数 / 溶液の体積(L)

モル分率

モル分率 = 一成分のモル数 / 全成分のモル数の和

8.3 コロイド溶液

コロイド溶液は、粒子サイズが1~100 nmの分散系です。コロイド粒子は肉眼では見えませんが、光を散乱する性質があります。

コロイドの特性

1. チンダル現象：光線が通過するとき、その光路が観察できる現象
2. ブラウン運動：コロイド粒子のランダムな動き
3. 電気泳動：帯電したコロイド粒子が電場の影響で移動する現象
4. 凝集と分散：電解質の添加によるコロイドの凝集

コロイドの分類

1. 親水コロイド：水に親和性がある（例：タンパク質、デンプン）
2. 親油コロイド：油に親和性がある（例：樹脂、ワックス）
3. 会合コロイド：界面活性剤が形成するミセル構造

8.4 懸濁液

懸濁液は、固体粒子が液体中に分散している系で、粒子サイズが100 nmより大きいものです。

懸濁液の特性

1. 不透明性：光を透過せず、散乱や吸収が起こる
2. 不安定性：時間とともに沈殿が生じる
3. 非均一性：不均一な二相系
4. ろ過性：通常のろ紙でろ過できる

医学的応用例

1. 経口懸濁液：難溶性薬物の投与形態
2. 注射用懸濁液：徐放性製剤として使用
3. 外用懸濁液：局所塗布用の製剤

8.5 分散系の安定性と応用

分散系の安定化方法

1. 電荷による安定化：同じ電荷を持つ粒子間の反発
2. 立体障害による安定化：高分子による被覆
3. 界面活性剤の使用：乳化剤としての利用

医学・薬学での応用

1. 医薬品製剤：懸濁液、乳剤、軟膏など
2. 検査技術：免疫測定法、電気泳動法
3. 製剤の生物学的利用能：粒子サイズと吸収性の関係

9. 電解質溶液

9.1 電解質と非電解質

電解質は水溶液中でイオンに解離し、電気を伝導する物質です。一方、非電解質は解離せず、電気を伝導しません。

電解質の分類

• 強電解質：水溶液中で完全に解離する
  • 例）NaCl、HCl、NaOH、H₂SO₄
  • 解離度α ≈ 1

• 弱電解質：水溶液中で部分的に解離する
  • 例）CH₃COOH（酢酸）、NH₃（アンモニア）
  • 解離度α < 1

• 非電解質：水溶液中でイオンに解離しない
  • 例）グルコース、尿素、エタノール
  • 解離度α = 0

9.2 電解質の解離

イオン化と解離

• イオン化：中性の分子がイオンになる過程
  • 例）HCl → H⁺ + Cl⁻

• 解離：イオン結合の化合物が水中でイオンに分かれる過程
  • 例）NaCl → Na⁺ + Cl⁻

解離度

解離度（α）は、溶解した電解質のうち、実際にイオンに解離した割合を表します。

α = 解離した電解質のモル数 / 溶解した電解質の全モル数

• 強電解質：α ≈ 1
• 弱電解質：α < 1（濃度依存性がある）

9.3 電解質溶液の特性

電気伝導性

• モル伝導率（Λm）

Λm = κ / c

ここで、κ（カッパ）は比伝導率、cはモル濃度です。Λ(ラムダ)

• 濃度依存性
  • 強電解質：濃度の増加とともにΛmは徐々に減少
  • 弱電解質：濃度の増加とともにΛmは急激に減少

コロイゲイティブ特性

• 沸点上昇

ΔTb = i · Kb · m

• 凝固点降下

ΔTf = i · Kf · m

• 浸透圧

π = i · CRT

ここで、iはファントホッフ係数で、1モルの電解質から生じるイオンの総数を表します。

イオン活量と活量係数

実際の溶液中では、イオン間の相互作用により理想的な挙動からずれが生じます。このずれを表すのが活量係数です。

a = γ · c

ここで、aは活量、γは活量係数、cはモル濃度です。

9.4 電解質溶液の応用

医学・生理学的応用

• 電解質バランス
  • 細胞内外のイオンバランス（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻など）
  • 神経伝達、筋収縮における電解質の役割

• 輸液療法
  • 生理食塩水（0.9% NaCl）
  • リンゲル液（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻を含む）

• 血液検査
  • 電解質異常の診断
  • 酸塩基平衡の評価

薬学的応用

• 薬物の溶解性
  • 塩形成による難溶性薬物の溶解性改善

• 緩衝液
  • 薬物の安定性向上
  • pH制御による薬効の最適化

• イオン交換
  • 水の軟化・精製
  • クロマトグラフィーによる分離

9.5 電解質溶液の計算

例題：解離度の計算

問題

25℃において、0.1 mol/Lの酢酸（CH₃COOH）水溶液の解離度は1.3%です。酢酸の解離定数Kaを求めなさい。

解答

10. 有機化合物の構造理論

10.1 有機化学の基礎

有機化学は、炭素化合物の化学であり、生命科学の基礎を形成しています。

炭素の特徴

1. 結合能力：4つの共有結合を形成できる
2. 連鎖形成能：炭素-炭素結合による鎖状・環状構造
3. 混成軌道：sp³、sp²、sp混成による多様な結合形態
4. キラリティ：不斉炭素による光学異性体の形成

有機化合物の分類

• 脂肪族化合物
  • アルカン、アルケン、アルキン
  • アルコール、アルデヒド、ケトン、カルボン酸など

• 芳香族化合物
  • ベンゼン誘導体
  • 多環芳香族化合物

• 複素環化合物
  • ピリジン、ピロール、フラン、チオフェンなど

• 生体分子
  • アミノ酸、糖類、脂質、核酸など

10.2 構造理論の発展

歴史的発展

• ケクレの構造理論（1858年）
  • 炭素の4価性
  • 炭素-炭素結合による鎖状構造

• ファン・トホフとルベルの立体化学（1874年）
  • 炭素の四面体構造
  • 不斉炭素と光学活性

• ポーリングの共鳴理論（1930年代）
  • 共鳴構造による安定化
  • ベンゼンの構造解明

10.3 分子の表示法

構造式の種類

• 示性式
  • 例）CH₃CH₂OH（エタノール）

• 分子式
  • 例）C₂H₆O（エタノール）

• 構造式
  • 例）CH₃-CH₂-OH（エタノール）

1. ルイス構造式：電子対を明示
2. ニューマン投影式：単一結合周りの立体配置を表示
3. Fischer投影式：キラル中心を持つ分子の立体配置を表示
4. くさび型表示：立体配置を表示（実線、破線、くさび線）

10.4 有機化合物の命名法

IUPAC命名法の基本原則

1. 基本骨格の選定：最長の炭素鎖または環を選ぶ
2. 官能基の優先順位：
   • カルボキシル基 > アルデヒド基 > ケトン基 > アルコール基 > アミン基 > アルケン > アルキン > アルカン
3. 置換基の位置番号：
   • 官能基に近い方から番号を付ける
   • 複数の置換基がある場合はアルファベット順
4. プレフィックス（接頭辞）とサフィックス（接尾辞）：
   • プレフィックス：位置番号-置換基名
   • サフィックス：官能基名

命名例

• アルカン：
  • CH₃-CH₂-CH₃：プロパン
  • CH₃-CH(CH₃)-CH₃：2-メチルプロパン

• アルケン：
  • CH₂=CH-CH₃：プロペン
  • CH₃-CH=CH-CH₃：2-ブテン

• アルコール：
  • CH₃-CH₂-OH：エタノール
  • CH₃-CHOH-CH₃：2-プロパノール

• カルボン酸：
  • CH₃-COOH：酢酸（エタン酸）
  • CH₃-CH₂-COOH：プロピオン酸（プロパン酸）

10.5 異性体

構造異性体

• 鎖状異性体：
  • 例）ブタン（CH₃-CH₂-CH₂-CH₃）と2-メチルプロパン（CH₃-CH(CH₃)-CH₃）

• 位置異性体：
  • 例）1-プロパノール（CH₃-CH₂-CH₂-OH）と2-プロパノール（CH₃-CHOH-CH₃）

• 官能基異性体：
  • 例）エタノール（CH₃-CH₂-OH）とジメチルエーテル（CH₃-O-CH₃）

立体異性体

• 幾何異性体（シス-トランス異性体）：
  • 例：シス-2-ブテンとトランス-2-ブテン

• 光学異性体（エナンチオマー）：
  • 例：D-グルコースとL-グルコース
  • 不斉炭素（キラル中心）を持つ
  • 鏡像関係にある
  • 旋光性を示す

• ジアステレオマー：
  • 鏡像関係にない立体異性体
  • 例：エリスロースとスレオース

10.6 有機化合物の反応

反応の分類

• 置換反応：
  • SN1、SN2反応
  • 求核置換反応、求電子置換反応

• 付加反応：
  • アルケンへの付加
  • マルコフニコフ則

• 脱離反応：
  • E1、E2反応
  • 脱水、脱ハロゲン化水素

• 酸化・還元反応：
  • アルコールの酸化
  • カルボニル化合物の還元

• ラジカル反応：
  • 連鎖反応
  • 置換反応

反応メカニズム

反応メカニズムは反応の過程を電子の動きに基づいて説明するものです。

• 電子の移動：
  • 求核剤（電子豊富）→ 求電子剤（電子不足）

• 中間体と遷移状態：
  • 中間体：反応の途中で生成する一時的な化学種
  • 遷移状態：反応の障壁を表す高エネルギー状態

• 反応速度と選択性：
  • 速度決定段階
  • 立体選択性、位置選択性

10.7 医学における有機化学の重要性

医薬品開発

• 構造活性相関
  • 薬物の構造と生物活性の関係
  • 薬物デザインの基礎

• 立体化学と生物活性
  • キラル医薬品の重要性
  • 例）サリドマイド悲劇

• プロドラッグ
  • 体内で活性型に変換される薬物
  • 例）エナラプリル（ACE阻害薬）

生体内反応

• 代謝反応
  • 酸化、還元、加水分解、抱合
  • シトクロムP450酵素系

• 生合成経路
  • 糖新生、脂肪酸合成
  • コレステロール生合成

• 生体分子の構造と機能
  • タンパク質の立体構造
  • 酵素の基質特異性

演習問題

1. 次の反応の平衡定数を計算しなさい。

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

平衡時の濃度が[H₂] = 0.2 mol/L、[I₂] = 0.1 mol/L、[HI] = 0.8 mol/Lの場合。

2. コロイド溶液と真の溶液の違いを3つ挙げ、それぞれの特徴を説明しなさい。
3. 0.01 mol/Lの酢酸（CH₃COOH）水溶液の解離度が4.2%であるとき、酢酸の解離定数Kaを計算しなさい。
4. 次の化合物のIUPAC名を答えなさい。
   • a) CH₃-CH₂-CH(OH)-CH₃
   • b) CH₃-CO-CH₂-CH₃
   • c) CH₃-CH₂-CH₂-COOH
5. 2-ブタノールの構造異性体をすべて描き、それぞれのIUPAC名を答えなさい。

参考文献

1. レーニンジャーの生化学（第7版）
2. マクマリー有機化学（第9版）
3. アトキンス物理化学（第10版）
4. 医薬品化学（第2版）
5. コロイド科学の基礎（第3版）