高校化学 アルケンの付加反応—二重結合の変化から生成物と物質量を結ぶ｜武蔵野個別指導塾

二重結合1本と水素・臭素1分子の対応を押さえ、試薬の不足や残量からアルケンの反応量を計算する道筋を示します。

よくあるのは、アルケンの二重結合1本に水素分子を2個加えてしまう場面です。炭素間に2本の線があるので、それぞれに1分子ずつ必要だと考えたくなります。しかし、付加後も炭素どうしの結合は1本残ります。新しく炭素につく水素原子は2個、水素分子なら1個です。構造式で結合の変化を見てから、反応式の係数と物質量をつなぎましょう。

問題文のどこに注目するか

付加反応の問題では、まず二重結合の両端に何が結合するかを問われます。次に、アルケンの量から必要な水素や臭素の量を求めます。さらに、混合物に加えた試薬の残量から、もとのアルケンの量を逆算する問題もあります。いずれも、どの物質を何 mol と数えているかが出発点です。

「完全に反応した」は、反応できる対象が与えられた条件で残らなかったことを示します。一方、試薬が不足する問題では、アルケンが余る場合があります。反応前の量をそのまま反応量とせず、小さい方の反応可能量を選ぶ必要があります。臭素の色が薄くなった観察も、消費された臭素の存在を示しますが、その記録だけでアルケンの構造を一意に決めることはできません。

ここで扱うのは炭素間二重結合への水素とハロゲンの付加です。二重結合が1本の鎖式炭化水素を中心に考え、個々の生成物を構造式で確かめます。反応が起こる条件や試料の純度が与えられないときは、計算の前提を勝手に増やさないことも大切です。

結合の変化から係数を作る

アルケンは炭素間二重結合をもつ炭化水素です。付加では二重結合が単結合になり、もとの二重結合の両端にそれぞれ原子が結合します。図1のように、残る炭素間の線を数えると、新しく結合できる場所は両端に1か所ずつです。図は結合の変化を表す模式図で、分子の形や大きさを示すものではありません。

図1のXは水素原子やハロゲン原子を表します。X₂という分子が1個加わると、X原子が2個に分かれて両端に1個ずつ結合します。C=Cの2本の線が両方消えるのではなく、C-Cの1本が残ることを確認してください。各炭素は付加前後とも合計4本の結合をもち、原子の数も保存されます。

例えばエテンはCH₂=CH₂です。水素を付加するとCH₃-CH₃となり、エタンが生じます。反応式はCH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃です。炭素は左右とも2個、水素は左辺の4個と2個を合わせて6個、右辺も6個です。エテン1分子に水素1分子が対応するので、エテン1 molには水素1 molが対応します。水素原子が2 mol増えることと、水素分子を2 mol消費することは異なります。

臭素Br₂も同様に両端に1原子ずつ加わります。エテンならCH₂Br-CH₂Brです。臭素の色が消える現象は二重結合の検出に利用されますが、他にも臭素を消費する物質や条件があれば結果に影響します。臭素が消えたという事実と、対象物が純粋なアルケンであるという条件を分けて読みます。実験は学校の指導の下で扱い、ここでは記録の考察に限ります。

鎖式で二重結合が1本、ほかに多重結合がない炭化水素は一般式CₙH₂ₙで表せます。対応する鎖式の飽和炭化水素CₙH₂ₙ₊₂に比べて水素原子が2個少なく、H₂を1分子付加するとその差が埋まります。ただし一般式が同じでも環をもつ飽和炭化水素を含みうるため、分子式だけから二重結合を断定しません。また、二重結合が2本ある分子では、両方に完全に付加する条件なら1分子あたり2分子のH₂を必要とします。1本に2分子加えるのとは別の話です。

水素付加には通常、適切な触媒が用いられます。臭素付加も対象物や条件を指定して考えます。物質量の比は反応式から求められますが、式を書いただけで現実の試料が必ず完全に反応すると判断することはできません。問題が与える反応の完了や副反応の有無を明記して扱います。

基本例題：水素の必要量

例題1　プロペンCH₃-CH=CH₂が0.120 molあります。適切な触媒の下で全量に水素を付加します。必要なH₂の物質量と生成するプロパンの物質量を、それぞれ有効数字3桁で求め、生成物の構造式も書いてください。副反応はなく、完全に反応するものとします。質量を使わないため原子量は必要ありません。

図2のように二重結合の両端へHを1個ずつ加えます。左の炭素はCHからCH₂へ、右端はCH₂からCH₃へ変わります。図2では炭素のつながりが保たれ、水素分子1個が2個のHとして付加することを示しています。

反応式は次のとおりです。

CH₃-CH=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃
プロペン : H₂ : プロパン = 1 : 1 : 1
必要なH₂ = 0.120 mol
生成するプロパン = 0.120 mol

答えはH₂が0.120 mol、プロパンが0.120 mol、構造式がCH₃-CH₂-CH₃です。左辺の炭素は3個、水素は6個と2個で8個、右辺は炭素3個と水素8個です。答えを反応式に戻すと、0.120 molの生成に0.120 molずつの両反応物が必要で、問題のプロペン量に一致します。

別の見方では、プロペン0.120 molに含まれる二重結合は0.120 molです。二重結合1 molにつきH₂を1 mol使うので、同じ答えが出ます。この数え方は二重結合の数が明記された試料にも使えますが、分子の物質量と二重結合の物質量を区別しなければなりません。

標準と発展：残量と混合物を追う

例題2　ブテンC₄H₈が0.0800 molあり、H₂を0.0500 mol加えました。適切な触媒の下、反応できる限り付加し、副反応はないものとします。反応後のブテン、H₂、生成したブタンの物質量をそれぞれ有効数字3桁で求めてください。原子量は使いません。

二重結合が1本なのでブテンとH₂は1 : 1で反応します。全量のブテンには0.0800 molのH₂が必要ですが、与えられたH₂は0.0500 molです。したがってH₂が先になくなり、反応するブテンは0.0500 molです。

残るブテン = 0.0800 - 0.0500 = 0.0300 mol
残るH₂ = 0.0500 - 0.0500 = 0.0000 mol
生成するブタン = 0.0500 mol

ゼロは残量なしと表せます。生成物と残ったブテンを合わせると0.0800 molで、もとの炭素骨格の量に戻ります。生成物0.0500 molに含まれる付加した水素はH₂に換算して0.0500 molです。もしブテンが全量反応したとすれば必要なH₂は与えられた量を超え、残量が負になるので成立しません。

例題3　エテンと、ここでの条件では臭素と反応しないエタンの混合物が合計0.200 molあります。臭素を十分に加えたところ、臭素0.0700 molが付加に使われました。副反応はなく、エテンは完全に反応したものとします。各成分の物質量を有効数字3桁で求めてください。原子量は使いません。

エテン1 molは臭素1 molと反応します。よってエテンは0.0700 mol、エタンは0.200 − 0.0700 = 0.130 molです。逆にこの混合物を条件に戻すと、臭素を消費するエテンが0.0700 molなので臭素消費量は0.0700 molとなり、合計も0.200 molです。両成分の量は負ではありません。

別解ではエテンの割合をxとすると、混合物0.200 mol中のエテンは0.200x molです。臭素の消費量との等式0.200x = 0.0700からx = 0.350となり、各量を得ます。割合の分母は混合物全体の物質量であり、臭素の初めの量ではありません。反応しない成分が存在するからといって、混合物全体を臭素の消費量と同一視しないことが要点です。

この関係をグラフにするなら、横軸に加えた臭素の物質量、縦軸に消費された臭素の物質量を取ります。理想的に完全反応し、ほかの消費がない場合、エテンが残る範囲では傾き1で増え、エテンの量に達した後は横ばいです。折れ曲がる位置は消費の上限を表します。縦軸を残った臭素量に変えれば形も読み方も変わるため、軸名を先に確認します。

測定で臭素の消費量を実際より大きく見積もると、このモデルで計算したエテン量も大きくなります。逆に、エテンが未反応のまま残って消費量が小さく記録されれば、エテン量は小さく見積もられます。試料に別の臭素消費物質がある場合も過大評価の原因です。色の変化を読む際は試料を入れない対照の記録や試薬の状態と比較し、異常があるときは単純な1 : 1の計算結果を確定値にしません。

二分子を加えた誤答を直す

「CH₂=CH₂ + 2H₂ → CH₄-CH₄」という答案を考えます。図3のように、左辺の水素は合計8個ですが、右辺の各炭素に水素を4個ずつつけると、炭素間の結合も合わせて各炭素の結合が5本になります。この候補は炭素の結合数を満たしません。

図3では、二重結合の1本を単結合として残すことを強調しています。原因は、線が2本あることを、失われる結合も2本だと読み替えた点です。正しくはH₂を1分子加え、CH₃-CH₃とします。炭素間の結合を残したうえで各炭素の結合数を数え直し、最後に左右の原子数を照合します。

もう1つの誤りは、臭素Br₂の物質量を臭素原子の物質量として扱うことです。二重結合1 molに臭素原子は2 molつきますが、Br₂は1 molです。質量から計算するときは、問題に与えられたBrの原子量を2倍してBr₂のモル質量を作ります。量を mol に直してから係数比を使えば、原子と分子の取り違えを避けられます。

反応物を過剰に加えた場合の誤答も確認します。試薬の初めの量をそのまま消費量にすると、余った試薬が消えたことになります。反応後の残量を引いた量を係数比に使い、残量が負にならないかを確認してください。観察が途中で止まった場合や記録が欠けた場合には、完全反応と決めつけず、得られた情報から何が確定できないかを残します。

練習：条件を読んでから計算する

各問は副反応がなく、特に指定がない限り付加は完全に進むものとします。数値は問題のために与えた値です。質量を使う問では原子量H = 1.0、C = 12、Br = 80を用い、最後に丸めてください。

1. 1-ブテンCH₂=CH-CH₂-CH₃にH₂を付加します。生成物の省略構造式を1つ書き、1分子に付加するH₂の分子数を整数で答えてください。
2. エテン0.0250 molに臭素を十分に付加します。消費するBr₂の物質量を有効数字3桁で求めてください。
3. 二重結合を1本もつ鎖式炭化水素0.0400 molに、Br₂を0.0600 mol加えました。反応後に残るBr₂の物質量を有効数字3桁で求めてください。
4. 二重結合を1本もつ鎖式炭化水素に臭素を付加したところ、Br₂を3.2 g消費しました。この炭化水素の反応した物質量を有効数字2桁で求めてください。
5. 水素と反応する二重結合が1分子中に2本ある鎖式炭化水素0.0150 molに、十分なH₂を付加して両方を単結合にしました。消費したH₂の物質量を有効数字3桁で求めてください。

答えと解き方

1. CH₃-CH₂-CH₂-CH₃、1分子です。両端の炭素にHを1個ずつ加え、炭素の接続を残します。生成物は炭素4個、水素10個で、もとの水素8個にH₂の2個を加えた数と一致します。

2. 0.0250 molです。エテンとBr₂は1 : 1で反応するので、同じ物質量を消費します。逆にBr₂が0.0250 mol消費されたとすると、反応したエテンも0.0250 molで与件に戻ります。

3. 0.0200 molです。炭化水素0.0400 molに必要なBr₂は0.0400 molなので、初めの0.0600 molから引きます。残量0.0200 molと消費量0.0400 molを足すと初めの量に一致します。炭化水素の必要量より試薬が多いため、完全反応の条件とも矛盾しません。

4. 0.020 molです。Br₂のモル質量は80・2 = 160 g/molですから、3.2/160 = 0.020 molを消費しました。二重結合が1分子に1本なので炭化水素も0.020 molです。逆に0.020 molのBr₂は160 g/molを掛けると3.2 gになり、質量の与件へ戻ります。

5. 0.0300 molです。二重結合の物質量は分子の物質量の2倍なので、0.0150・2 = 0.0300 molです。逆に0.0300 molのH₂は二重結合0.0300 molに対応し、1分子あたり2本で割ると元の0.0150 molの分子に戻ります。2本とも反応する条件を使った答えです。

手元に残す要点

二重結合1本は付加後に単結合1本になり、両端に原子が1個ずつつきます。 H₂やBr₂は二重結合1本につき1分子が対応します。 反応量は係数比で結び、不足する物質と余る物質を分けます。 計算後は原子数、初量と残量、観察条件を照合します。

つまずきを見分けるには

構造式で迷ったら、付加前後の炭素間の線と、各炭素につく原子を順に指で追います。個別指導の場では、H₂を1分子書いた後にH原子を両端へ1個ずつ移せるか、炭素の結合数を自分で数えられるかを確かめます。量の問題なら、初めの量、反応量、残量を別々に書き、molとgの変換に必要なモル質量を示せるかを見ると、原因を絞れます。

答えが合っていても、完全反応の条件を読み落としていれば別の問題で崩れます。観察結果と計算の前提を言葉にし、求めた量を元の条件へ戻す習慣が、付加反応の見通しを支えます。