高校化学 アミノ酸の双性イオン—酸性と塩基性で変わる電荷を構造から数える｜武蔵野個別指導塾

アミノ酸の各基と側鎖にある電荷を足し、酸や塩基によるH⁺の受け渡しを構造式と電荷収支で追う練習に取り組めます。

よくあるのは、双性イオンを描く場面で、全体の電荷が0だからと、アミノ基とカルボキシ基のどちらにも電荷を書かないことです。全体として電気的に中性であることと、分子の各部分に電荷がないことは同じではありません。水素イオンを受け取る場所と放出する場所を追うと、酸性や塩基性で構造が変わる理由も見えてきます。

問題の条件をどう読むか

出題の型は大きく3つあります。第1に、与えられた構造の各部分にある電荷を足し、全体の電荷を求める型です。第2に、酸または塩基を加えたときに変化する基を特定し、反応前後の構造を書く型です。第3に、側鎖にも解離する基がある構造から、共通部分と側鎖の電荷を合わせて数える型です。

最初に注目するのは、分子全体の符号ではなく、各基に付いた符号です。次に酸を加えるのか、塩基を加えるのかを見ます。酸による変化はH⁺を受け取る向き、塩基による変化はH⁺を失う向きとして追います。側鎖に何があるか指定されたときは、中央の炭素についている基を省略せず確認します。

溶液中では異なる形が平衡にあります。問題で「この形が主である」「この基が反応する」と指定されたときは、その条件に従って代表的な形を書きます。単に酸性や塩基性という言葉だけから、あらゆるアミノ酸の全粒子が同じ形だと断定することはできません。どの基がどの程度解離するかは、物質と条件に依存します。

同じ粒子の中にある正と負

αアミノ酸では、カルボキシ基に隣接するα炭素にアミノ基が結合しています。代表形を H₂N–CH(R)–COOH と書くと、Rは側鎖を表します。グリシンのRはH、アラニンのRはCH₃です。ここで示した電荷を書かない形は結合関係を示すのに便利ですが、水中の代表形を指定されたときにそのまま双性イオンと呼ぶことはできません。

カルボキシ基 –COOH はH⁺を放出すると –COO⁻ になります。アミノ基 –NH₂ はH⁺を受け取ると –NH₃⁺ になります。両方が同じ粒子内にある形が双性イオンです。側鎖に電荷がない場合、共通部分は ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻ と表せます。左の正電荷と右の負電荷は別々の場所にあるので、符号を消してはいけません。

図1のように、各基の電荷は –NH₃⁺ が +1、–COO⁻ が -1 です。足すと0ですが、0は計算結果であって各基の状態ではありません。電荷は一つの粒子について数えます。溶液に含まれる対イオンまで同じ分子の構造に書き込むと、求める対象が変わってしまいます。

双性イオンに酸を加えると、代表的には –COO⁻ がH⁺を受け取り –COOH となります。側鎖が電荷を持たない場合、残る –NH₃⁺ によって全体は +1 です。反対に塩基を加えると、–NH₃⁺ がH⁺を失い –NH₂ となり、–COO⁻ が残って全体は -1 です。酸にも塩基にも反応できる性質を両性といいます。正負を同時に持つ双性イオンという構造の呼び名と、酸にも塩基にも反応する両性という性質の呼び名は区別します。

H⁺を矢印の前後で数えると変化を点検できます。–COO⁻ がH⁺を1個受け取ると、基の電荷は -1 から0に1増えます。–NH₃⁺ がH⁺を1個失うと、基の電荷は +1 から0に1減ります。炭素骨格や側鎖が勝手に変わるわけではありません。実際の水溶液では水やオキソニウムイオンも関わりますが、H⁺の受け渡しを簡略に書けば電荷の収支を追えます。

基本例題　グリシンの3つの形

側鎖がHであるグリシンの双性イオン ⁺H₃N–CH₂–COO⁻ を考えます。酸を加えたときはカルボキシラートがH⁺を1個受け取り、塩基を加えたときはアンモニウム部分がH⁺を1個失うものとします。それぞれの構造と粒子全体の電荷を符号付きの整数で答えてください。

図2のように、出発点から変わる基を1か所ずつ追います。図は骨格と電荷を示したもので、溶液中の対イオンや水は省いています。

まず出発点は次のように数えます。

⁺H₃N–CH₂–COO⁻ の電荷 = (+1) + (-1)
= 0

酸を加えた場合は、負の基にH⁺が結びつきます。

⁺H₃N–CH₂–COO⁻ + H⁺ → ⁺H₃N–CH₂–COOH
生成物の電荷 = (+1) + 0
= +1

左辺の電荷は 0 + (+1) = +1 であり、右辺の電荷と一致します。H原子も1個増えています。塩基を加えた場合は、水酸化物イオンがH⁺を受け取って水になります。

⁺H₃N–CH₂–COO⁻ + OH⁻ → H₂N–CH₂–COO⁻ + H₂O
生成したグリシン由来の粒子の電荷 = 0 + (-1)
= -1

左辺の合計は 0 + (-1) = -1、右辺は (-1) + 0 = -1 です。失ったH⁺は水の側に入り、原子数と電荷が保存されます。酸の場合の答えは ⁺H₃N–CH₂–COOH、+1、塩基の場合は H₂N–CH₂–COO⁻、-1 です。

別の見方では、酸の場合は最初の0にH⁺の +1 を加え、塩基の場合は最初の0からH⁺の +1 を引きます。ただし、この計算だけではH⁺がどこに出入りしたかは示せません。構造を求められた答案では、基の変化も書きます。逆に、H⁺だけを失ったのに電荷が増えていれば、符号の付け方を点検できます。

標準例題　側鎖の電荷を足す

あるαアミノ酸の粒子を ⁺H₃N–CH(CH₂–COO⁻)–COO⁻ と表します。括弧内は側鎖で、2つの –COO⁻ はそれぞれ -1、–NH₃⁺ は +1 です。この粒子の全電荷と、側鎖の –COO⁻ がH⁺を1個受け取った後の構造と電荷を答えてください。電荷は符号付きの整数で示します。

最初の電荷 = (+1) + (-1) + (-1)
= -1
側鎖の変化 = –COO⁻ + H⁺ → –COOH
変化後の構造 = ⁺H₃N–CH(CH₂–COOH)–COO⁻
変化後の電荷 = (+1) + 0 + (-1)
= 0

側鎖のカルボキシラートを見落とすと、出発点を0と誤ります。指定された側鎖の変化以外は固定しているので、α炭素に直接ついた –COO⁻ はそのままです。出発点の電荷 -1 にH⁺の +1 を加えると0になり、生成物の電荷と合います。H⁺を逆に外せば、元の構造と -1 に戻ることも確かめられます。

側鎖に電荷がある場合、共通部分の正と負だけを見て粒子全体を0と決めてはいけません。側鎖の構造が与えられていなければ、その部分の電荷を勝手に決めないことも同じくらい重要です。条件に含まれる基をすべて数えることが、未知の部分を推測しないための手がかりになります。

発展例題　混合した粒子の電荷収支

ある溶液中に、側鎖に電荷を持たないアミノ酸由来の粒子AとBが合わせて 0.010 mol あります。Aの電荷は +1、Bの電荷は0です。Aの物質量はBの4倍です。AとBの物質量、および両者の電荷の物質量の和を求めてください。単位はmolとし、有効数字2桁で答えます。対イオンはこの和に含めません。

Bの物質量を x mol とする
Aの物質量 = 4x mol
4x + x = 0.010
x = 0.0020
Aの物質量 = 0.0080 mol
Bの物質量 = 0.0020 mol
電荷の物質量の和 = (+1)・0.0080 + 0・0.0020
= +0.0080 mol

これは電荷数に粒子の物質量を掛けた和です。電気量そのものではありません。また、溶液全体の電荷を表す値でもありません。溶液全体では、ここで数えていない対イオンなども電荷収支に関わります。答えを元の条件に戻すと、0.0080 + 0.0020 = 0.010 mol で、0.0080 は 0.0020 の4倍です。

別解では、全体を5等分し、そのうち4をA、1をBと見ます。Aは全体の (4)/(5)、Bは (1)/(5) です。比と合計が与えられたから使える方法であり、質量比が与えられた場合にそのまま物質量比として使うことはできません。例えば別の種類の粒子を質量で比べるなら、それぞれのモル質量が必要です。

観察の設計と読み取れる限界

同じアミノ酸の溶液を使い、加える酸や塩基の量を変えてpHの変化を比べると、H⁺の受け渡しを考える手がかりになります。試料の量、溶液の体積、温度と測定器の扱いをそろえ、酸や塩基を加えない対照も置きます。操作は学校の指導の下で行います。強い酸や塩基の取り扱いを家庭で試す必要はありません。

横軸を加えた塩基の量、縦軸をpHとする記録では、曲線の高さだけでなく、同じ量の塩基を加えたときの変化の幅を見ます。pHの変化が小さい区間は、加えた量に対し溶液の状態が変わりにくいことを示します。ただし、その図だけから個々の粒子の構造や比率を一意に断定することはできません。濃度や反応の条件について別の情報が必要です。

器具に残った別の溶液が混入すれば、加えたと考えた量と実際に反応した量がずれる可能性があります。計器の読み取りが高めにずれれば曲線の縦の位置も高めに記録されますが、混入の影響の向きは混入物によって異なります。対照との比較や測定の繰り返しは、変化の原因を絞るために行います。一度の結果から特定の構造を決めるのではなく、条件と観察を分けて記録します。

誤答から構造を修正する

「双性イオンの電荷は0だから H₂N–CH₂–COOH と書く」という答案を考えます。全体の電荷を0とした点は合っていますが、構造の中の正と負を表していません。この式は各基に形式電荷を示さない形であり、双性イオンの指定を満たしません。

図3のように、–NH₂ を –NH₃⁺ に、–COOH を –COO⁻ に直します。H原子の合計は変わらず、一方から他方へH⁺を移した関係です。最後に +1 と -1 を足して0を確認します。符号だけを足したり、Hの数を変えずに –NH₂⁺ と書いたりすると、指定した基の構造と合いません。

もう一つの誤りは、酸を加えると負電荷が増えると考えることです。酸から受け取るH⁺は正の電荷を持つので、–COO⁻ が受け取れば電荷は0へ増えます。塩基の場合も同様に、–NH₃⁺ からH⁺が離れると電荷は1減ります。変化の向きに迷ったら、式の両辺の原子と電荷を比べて修正します。

練習問題

次の条件は計算や判断のために与えたものです。電荷は符号付きの整数、物質量は指定された単位で答えます。各粒子の構造に示されていない対イオンは数えません。

1. 側鎖がCH₃であるアラニンの双性イオンを、各基の電荷がわかる構造で書き、全電荷を答えてください。
2. 粒子 ⁺H₃N–CH(CH₃)–COOH がH⁺を1個失い、カルボキシ基が –COO⁻ になりました。生成粒子の構造と全電荷を答えてください。
3. 粒子 ⁺H₃N–CH(CH₂–NH₃⁺)–COO⁻ の側鎖の –NH₃⁺ がH⁺を1個失います。他の基が変わらないとき、前後の電荷と生成粒子の構造を答えてください。
4. 電荷 +1 の粒子Cが 0.0030 mol、電荷 -1 の粒子Dが 0.0010 mol あります。CとDの電荷の物質量の和をmol単位、有効数字2桁で求めてください。
5. 双性イオンの –NH₃⁺ が塩基にH⁺を渡したのに、生成粒子の電荷が0から +1 に増えたという説明があります。誤りを指摘し、電荷の正しい変化をH⁺の電荷とともに記述してください。

練習問題の解答と解き方

1. ⁺H₃N–CH(CH₃)–COO⁻、全電荷0です。側鎖CH₃には示された電荷がなく、(+1) + (-1) = 0 です。H₂NとCOOHの形に戻しても、H原子の総数が変わらないことを確認できます。全電荷が0でも、基の符号を省かないで書きます。

2. ⁺H₃N–CH(CH₃)–COO⁻、全電荷0です。出発粒子は +1、放出されたH⁺も +1 なので、残る粒子は0です。逆に生成粒子へH⁺を加えるとカルボキシ基が再び –COOH となり、元の +1 に戻ります。側鎖は変化しません。

3. 最初は (+1) + (+1) + (-1) = +1 です。生成粒子は ⁺H₃N–CH(CH₂–NH₂)–COO⁻ で、電荷は (+1) + 0 + (-1) = 0 です。側鎖からH⁺を失うので、0 + (+1) = +1 と元の電荷に戻ります。α炭素に直接結合する –NH₃⁺ は条件により変化しません。

4. (+1)・0.0030 + (-1)・0.0010 = +0.0020 mol です。Cの正の寄与からDの負の寄与を差し引きます。逆に、求めた和にDの寄与の大きさ 0.0010 mol を加えると、Cの寄与 0.0030 mol に戻ります。粒子数の合計 0.0040 mol と電荷の和は別の量です。

5. 正電荷 +1 のH⁺を失うので、残る粒子の電荷は0から -1 へ減ります。出発粒子の0は、生成粒子の -1 と放出されたH⁺の +1 の和に等しくなります。塩基を含む反応式を書く場合は、受け取ったH⁺が塩基側へ移ることも示します。

覚えておくこと

• 双性イオンでは同じ粒子内に正と負の電荷がある。
• 全電荷は共通部分と側鎖の電荷を符号付きで足す。
• H⁺を受け取れば電荷は1増え、失えば1減る。
• 水溶液中の形は平衡と条件を考え、指定された形を使う。

つまずいた場所を見つける

構造式は書けるのに電荷が合わないときは、まず –NH₃⁺、–NH₂、–COOH、–COO⁻ を一つずつ丸で囲み、それぞれの電荷を欄外に書きます。合計が合っても双性イオンの符号を消していないか、側鎖を数え忘れていないかを見直します。個別指導で確認するときも、答えの符号だけでなく、どの基がH⁺を受け取ったかを構造式で説明すると、間違えた段階を特定できます。

反応前後で迷ったら、変化しない骨格を先に写し、変わる基だけを直します。最後にH⁺を逆に移して元へ戻るかを確かめます。正と負の位置を残してこそ、双性イオンの電荷を構造から追えます。