武蔵野個別指導塾の特徴

高校化学ビニロンの合成と官能基—重合とけん化とアセタール化を分けて追う｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる高分子化合物

酢酸ビニルの重合、けん化、アセタール化を区別し、OH基2個に対応するホルムアルデヒド量と質量変化を追います。

よくあるのは、ビニロンの構造を見て、OH基1個からアセタールが1組できると考える場面です。ホルムアルデヒドの炭素は、もとの高分子の酸素2個と結び付きます。どの酸素が残り、何個のOH基が使われたかを追うと、反応式と計算がつながります。

問題の入口で分ける3つの型

第1の型は、酢酸ビニルから高分子になるまでの構造を問うものです。二重結合が開いて主鎖が延びる段階と、できた主鎖の側鎖が変化する段階を区別します。出発物質に含まれるエステルの部分を重合で消してはいけません。

第2の型は、OH基の反応率からホルムアルデヒドや水の量を求めるものです。反応したOH基2個に対し、ホルムアルデヒド1分子が対応します。問題の百分率が「OH基のうち何割」なのか、「アセタール化された単位の組が何割」なのかを先に読みます。

第3の型は、けん化が不完全な場合や、反応後の質量から反応率を戻す場合です。最初のエステル基を分母にした割合と、できたOH基を分母にした割合は異なります。反応の各段階で残る基の数を書き、回収した質量なのか、理論上の高分子の質量なのかも区別します。

主鎖を追い、側鎖の変化を見る

酢酸ビニルは CH₂=CH-O-CO-CH₃ と表せます。炭素間二重結合が開いて付加重合すると、繰り返し単位は -CH₂-CH(OCOCH₃)- になります。括弧内の OCOCH₃ は、主鎖のCHに酸素を介してつながるエステルの部分です。繰り返し単位の両側の線は隣の単位へ続く結合を表し、鎖の末端を描いたものではありません。

得られるポリ酢酸ビニルのエステル部分を水酸化ナトリウムでけん化すると、反応した箇所は -CH₂-CH(OH)- に変わります。反応したエステル基1個につき酢酸ナトリウム CH₃COONa が1個生じます。完全にけん化したものをポリビニルアルコールと呼び、PVAと略します。けん化では側鎖のエステルが変化し、ここで考える主鎖の炭素数は変わりません。

図1のように、重合で主鎖を作り、けん化でOH基を生じ、さらにその一部をアセタール化します。図は官能基の対応を表す模式図です。線の先には高分子の残りが続き、各段階の分子全体を描いたものではありません。

図1の最後の段階では、PVAのOH基2個とホルムアルデヒド HCHO 1分子から、-O-CH₂-O- の部分が1組でき、水 H₂O が1分子生じます。2個の酸素はもとのOH基由来です。ホルムアルデヒドの炭素と水素が橋のCH₂となり、ホルムアルデヒドの酸素と2個のOH基の水素が水に入ると見れば、原子の数を照合できます。

この図は反応した箇所の結び付きだけを示しています。2個のOH基が同じ鎖にある場合と異なる鎖にある場合を、量的関係だけから決めることはできません。隣り合う単位に限るとも、鎖間の結合が必ずできるとも決めず、問題で与えられた構造を読みます。

PVAは多くのOH基をもち、水と水素結合を作りやすい高分子です。繊維状にしたPVAのOH基の一部をアセタール化すると、OH基が減り、水に溶けにくいビニロンになります。実際の繊維の性質は分子の配列や処理の影響も受けるため、反応率だけから性能の数値を決めることはできません。未反応のOH基も残ることがあり、OH基がすべて消えると決める必要もありません。

基本例題：反応したOH基から数える

完全にけん化されたPVAが、繰り返し単位として0.40 molあります。末端の質量を無視し、OH基の60%がホルムアルデヒドによってアセタール化されました。副反応はなく、生成した高分子を完全に回収したとします。原子量はH = 1、C = 12、O = 16とします。反応したOH基、消費したHCHO、生成した水、残ったOH基の物質量をそれぞれmolで、生成高分子の質量をgで小数第2位まで求めてください。

解き方

PVAの1単位にはOH基が1個あります。図2のように、まず全OH基を反応した分と残った分に分け、反応した2個を1組にします。molは粒子の数をまとめる単位なので、この2対1の関係をそのまま物質量にも使えます。

初めのOH基 = 0.40 mol
反応したOH基 = 0.40 mol・0.60 = 0.24 mol
アセタールの組 = 0.24 mol ÷ 2 = 0.12 mol
消費したHCHO = 0.12 mol
生成したH₂O = 0.12 mol
残ったOH基 = 0.40 mol - 0.24 mol = 0.16 mol

PVAの1単位 C₂H₄O の式量は 2・12 + 4・1 + 16 = 44 です。アセタール1組につき高分子に加わる質量は、HCHOの式量30から、系外に出たH₂Oの式量18を引いた12 g/molです。水の分まで高分子に残すと質量を過大に数えます。

反応前のPVA = 0.40 mol・44 g/mol = 17.60 g
反応による増加 = 0.12 mol・(30 - 18) g/mol = 1.44 g
生成高分子 = 17.60 g + 1.44 g = 19.04 g

答えは反応したOH基0.24 mol、HCHO 0.12 mol、水0.12 mol、残ったOH基0.16 mol、生成高分子19.04 gです。元の場面に戻すと、0.12 molの組に使うOH基は0.24 molで、残り0.16 molとの合計は0.40 molです。また、PVA 17.60 gとHCHO 3.60 gの合計21.20 gは、高分子19.04 gと水2.16 gの合計に一致します。

別の数え方では、OH基2 molに由来するPVA単位の質量は88 gで、HCHOを加えて水を除いた部分の質量は100 gです。反応した0.24 molの単位と未反応の0.16 molの単位を分けても同じ答えになります。ただし実際の試料で末端や副反応を無視できないとき、この簡略化をそのまま適用できません。

標準例題：けん化が途中で止まる場合

ポリ酢酸ビニルが繰り返し単位として0.50 molあります。エステル基の80%を水酸化ナトリウムでけん化し、続いて生じたOH基の25%をHCHOでアセタール化します。各エステル基は1個のOH基を生じ、副反応はなく、末端質量を無視します。生成高分子は完全に回収します。原子量はH = 1、C = 12、O = 16、Na = 23とします。消費したNaOH、残ったエステル基、残ったOH基、消費したHCHOをmolで、生成高分子の質量をgで小数第1位まで求めてください。

解き方

最初の0.50 molをそのまま第2段階の分母にしてはいけません。最初の割合はエステル基に対するもので、第2段階の割合は、けん化で生じたOH基に対するものです。

けん化されたエステル基 = 0.50 mol・0.80 = 0.40 mol
消費したNaOH = 0.40 mol
けん化後のOH基 = 0.40 mol
残ったエステル基 = 0.50 mol - 0.40 mol = 0.10 mol
アセタール化されたOH基 = 0.40 mol・0.25 = 0.10 mol
消費したHCHO = 0.10 mol ÷ 2 = 0.05 mol
残ったOH基 = 0.40 mol - 0.10 mol = 0.30 mol

エステルを残す単位 C₄H₆O₂ の式量は86、OH基をもつ単位の式量は44です。アセタール化による増加は1組につき12 g/molです。

けん化後の高分子 = 0.10 mol・86 g/mol + 0.40 mol・44 g/mol
けん化後の高分子 = 8.60 g + 17.60 g = 26.20 g
アセタール化による増加 = 0.05 mol・12 g/mol = 0.60 g
生成高分子 = 26.20 g + 0.60 g = 26.8 g

答えはNaOH 0.40 mol、エステル基0.10 mol、OH基0.30 mol、HCHO 0.05 mol、高分子26.8 gです。逆に、残るエステル基0.10 molと、OH基を生じた0.40 molを足すと、もとの0.50 molに戻ります。後者は反応後、残るOH基0.30 molとアセタールに使われたOH基0.10 molに分かれます。

質量も別方向から検査できます。出発高分子は43.0 g、加えたNaOHは16.0 g、生成した酢酸ナトリウムは0.40 molで32.8 gです。43.0 g + 16.0 g − 32.8 g = 26.2 gとなり、けん化後の質量と一致します。この式ではNaOHを消耗する量として与えた反応を使っています。別の条件でアルカリが触媒として扱われるときに、その量を同じように計算することはできません。

発展例題：質量の増加から割合を戻す

完全にけん化されたPVA 26.4 gをHCHOで部分的にアセタール化し、洗浄・乾燥後に生成高分子28.56 gを得ました。水以外の副生成物や残留物はなく、高分子は完全に回収されたとします。末端の質量は無視し、原子量はH = 1、C = 12、O = 16とします。反応前のOH基に対して反応したOH基の割合を整数の%で、消費したHCHOと生成した水の質量をそれぞれgで小数第2位まで求めてください。

解き方

増えた質量をHCHO全体の質量とせず、水が出ていった後の正味の増加と見ます。1組につき高分子に残る増加は12 g/molです。

PVA単位の物質量 = 26.4 g ÷ 44 g/mol = 0.60 mol
反応前のOH基 = 0.60 mol
高分子の質量増加 = 28.56 g - 26.4 g = 2.16 g
アセタールの組 = 2.16 g ÷ 12 g/mol = 0.18 mol
反応したOH基 = 2・0.18 mol = 0.36 mol
反応したOH基の割合 = (0.36 mol)/(0.60 mol)・100 = 60%
消費したHCHO = 0.18 mol・30 g/mol = 5.40 g
生成したH₂O = 0.18 mol・18 g/mol = 3.24 g

答えは60%、HCHO 5.40 g、水3.24 gです。0.36 molのOH基と残った0.24 molを足すと0.60 molです。質量収支も、26.4 g + 5.40 g = 28.56 g + 3.24 gで合います。

別解として、反応したOH基をx molと置けば、できる組はx/2 mol、質量増加は12・x/2 gです。2.16 = 6xからx = 0.36となります。式の6はOH基1 molあたりの正味増加であり、HCHOの分子量でも水の分子量でもありません。

実測した乾燥後の質量が小さくても、直ちに反応率が低いとは限りません。高分子の回収が不完全なら質量が小さくなり、上の方法で計算した反応率も低く見えます。反対に水や他の物質が残れば質量が大きくなり、反応率は高く見えます。例えば計算値が100%を超えるときは、その値をそのまま答えるのではなく、回収率、乾燥、副反応、末端を無視した仮定などを見直します。どの原因かは質量1点だけでは決まりません。

誤答から修正する

「OH基の60%が反応したので、HCHOも初めのOH基の60%必要」とすると、基本例題ではHCHOを0.24 molと答えてしまいます。その量のHCHOをすべてアセタールにしたとすれば、必要なOH基は0.48 molです。初めにある0.40 molを超えるので、条件に戻した時点で誤りが見つかります。

図3のように、誤答はOH基1個を1組として数えたことから生じます。反応したOH基0.24 molを2個ずつ組にすることで、HCHOは0.12 molと修正できます。OH基の反応率とHCHOの物質量は、どちらも同じ割合というわけではありません。

別の誤りは、反応後の高分子質量に消費したHCHOの質量をそのまま足すことです。生じた水を差し引かないため、アセタール1組につき18 g/molだけ過大になります。反応物と生成物の双方を表に置き、残る高分子と系外へ出る水を分けると修正できます。

また、けん化が完全でないとき、出発高分子の全単位をOH基として数えると過大になります。反応しなかったエステル基はそのまま残ります。割合が何の総数を基準にしているかを言葉で書いてから掛け算する習慣が有効です。

条件をそろえて観察する

アセタール化の前後で水に対する挙動を比較するなら、同じ由来のPVAから作った処理前の試料と処理後の試料を用意し、試料の質量や形、水の量、温度、観察時間をそろえます。変えるのは処理の有無とし、溶け残りの様子などを観察します。薬品を扱う実験は学校の指導の下で行います。

処理前と処理後で形や厚さも変わると、溶け方の差を処理の影響だけに結び付けられません。洗浄不足による残留物や、乾燥の程度の違いも質量比較を乱します。変化が観察されなかった場合には、反応が起こらなかったと即断せず、観察時間や比較条件を確かめます。逆に差が見られても、その観察だけから反応率の数値や結合の位置を決めることはできません。

反応時間を横軸、別の方法で測定した反応したOH基の割合を縦軸にしたグラフでは、点の高さが各時点の割合、傾きが時間あたりの増え方を表します。値が同じ高さに近づく記録なら、その範囲で反応の進みが小さくなったと読めますが、完全反応や以後の変化を保証しません。欠測点を測定値として扱わず、繰り返しのばらつきも見ます。

練習問題

いずれも自作の条件です。計算問題では原子量をH = 1、C = 12、O = 16、Na = 23とし、末端質量を無視します。副反応はなく、生成高分子は完全に回収されるとします。物質量は指定された単位で、割り切れる小数として答えてください。

酢酸ビニルの付加重合と、生成物の完全なけん化について、各段階で変化する部分をそれぞれ1文で説明してください。主鎖と側鎖のどちらに注目したかを含めます。
PVAのOH基が0.70 molあり、その30%がHCHOでアセタール化されました。消費されたHCHOと残ったOH基をmolで求めてください。
ポリ酢酸ビニルの単位が0.80 molあり、エステル基の75%をNaOHでけん化しました。次に、生じたOH基の50%をHCHOでアセタール化しました。残るエステル基、残るOH基、消費されたHCHOをmolで、生成高分子の質量をgで求めてください。
PVA 22.0 gをHCHOで部分的にアセタール化し、高分子23.80 gを得ました。初めのOH基の何%が反応したか、整数で求めてください。
同じPVAから作った2試料について、水の量と温度をそろえ、片方にアセタール化の処理を加えた後、同じ時間だけ水中で観察しました。処理前の試料は溶け残りが少なく、処理後の試料は溶け残りが多かったとします。試料の形や質量が異なっていたとき、この観察から言えることと、処理の影響を検討するためにそろえるべき条件を1つずつ述べてください。

練習の答えと解き方

付加重合では酢酸ビニルの炭素間二重結合が開き、炭素の主鎖ができます。けん化では主鎖についたエステル部分が変化し、各反応箇所にOH基が生じます。確認すると、重合後もエステル部分が残り、けん化後も主鎖の炭素のつながりが残っています。
反応したOH基は 0.70 mol・0.30 = 0.21 molです。2個で1組なので、消費されたHCHOは 0.21 mol ÷ 2 = 0.105 molです。残ったOH基は 0.70 mol − 0.21 mol = 0.49 molです。0.105 molの組が使うOH基0.21 molと残量0.49 molを足すと、出発量0.70 molに戻ります。
けん化された基は 0.80 mol・0.75 = 0.60 molです。残るエステル基は 0.80 mol − 0.60 mol = 0.20 mol、生じたOH基は0.60 molです。その50%の0.30 molが反応するので、残るOH基は0.30 mol、HCHOは 0.30 mol ÷ 2 = 0.15 molです。

けん化後の高分子 = 0.20 mol・86 g/mol + 0.60 mol・44 g/mol
けん化後の高分子 = 17.2 g + 26.4 g = 43.6 g
アセタール化後の高分子 = 43.6 g + 0.15 mol・12 g/mol
アセタール化後の高分子 = 45.4 g

元の0.80 molは、残るエステル基0.20 molと、けん化された0.60 molに分かれます。後者も残るOH基0.30 molと使われたOH基0.30 molに分かれ、個数が合います。質量については、出発高分子68.8 gとNaOH 24.0 gから酢酸ナトリウム49.2 gを引くと43.6 gで、その後HCHO 4.5 gを加え水2.7 gを引くと45.4 gです。

初めのOH基は 22.0 g ÷ 44 g/mol = 0.50 molです。質量増加は 23.80 g − 22.0 g = 1.80 gであり、アセタールの組は 1.80 g ÷ 12 g/mol = 0.15 molです。反応したOH基は0.30 molなので、割合は (0.30 mol)/(0.50 mol)・100 = 60%です。逆に0.15 molのHCHOによる増加は 0.15 mol・(30 − 18) g/mol = 1.80 gとなり、与えられた質量差に戻ります。
この条件で観察した2試料には溶け残りの差があったと言えます。ただし形や質量も異なるため、差の原因を処理だけに決めることはできません。例えば試料の質量をそろえて再比較します。形もそろえる必要があり、同じ操作を繰り返して結果が再現するかを見ることも有効です。差が再現しない場合は測定や試料のばらつきを調べ、差が再現しても構造や反応率は別の測定なしには決められません。