高校化学 脂肪族炭化水素—定期テストで炭素骨格と結合の違いから異性体と反応を整理する｜武蔵野個別指導塾

回転による構造の重複を除き、臭素の付加量と結合の変化を追う対象は脂肪族炭化水素です

よくあるのは、構造式を回転させて描き直したものを、別の異性体として数えてしまう場面です。まず学校の範囲表で炭化水素の該当箇所を確認し、ノートや小テストで構造式の書き方と反応条件を照合しましょう。形の向きではなく、どの炭素がどの炭素につながるかを追うと、重複に気づけます。学習指導要領の化学には有機化合物が含まれますが、授業の進度は学校ごとに確認します。

問題文から何を拾うか

出題の型は大きく3つあります。1つ目は、指定された分子式を満たす構造異性体を列挙する問題です。「鎖式」「二重結合が1個」などの条件は、数える候補の範囲を決めます。図をきれいに並べる前に、炭素のつながりと結合の位置を調べます。

2つ目は、反応物と条件から生成物を示す問題です。たとえば臭素が二重結合に付加すると、結合していた2つの炭素にそれぞれ臭素原子がつきます。一方、アルカンと塩素の光による反応では、水素が塩素に置き換わります。反応の名前だけでなく、原子が反応の前後でどこへ移ったかも見ます。

3つ目は、付加に使われた物質量から、混合物の内訳を求める問題です。二重結合1個と三重結合1個では、完全に水素を付加させるのに必要な水素の量が違います。残った試料や過剰の試薬がある場合は、反応した量と最初の量を区別しましょう。ここでは脂肪族炭化水素を扱い、芳香族の反応には立ち入りません。

結合と骨格を見分ける

炭化水素は炭素と水素からなる化合物です。炭素は通常4本、水素は1本の共有結合をつくります。構造式の二重結合は2本、三重結合は3本として数え、炭素ごとの結合の本数が4になるよう水素を補います。二重結合の両端の炭素に別の炭素が1本ずつつながる場合、残る水素は各1個です。

鎖式のアルカンは炭素間が単結合で、炭素数を n とすると分子式は CnH(2n+2) です。鎖式で二重結合が1個のアルケンは CnH(2n)、三重結合が1個のアルキンは CnH(2n-2) です。これはそれぞれ指定した結合以外は単結合の場合の関係です。環や複数の多重結合がある場合まで同じ式をそのまま使うことはできません。

図1のように、二重結合に水素分子が1個付加すると単結合になります。三重結合に水素分子が2個付加すると、やはり単結合になります。図では水素の量と結合の変化を対応させています。1分子についての関係は、同じ比で物質量にも使えます。

構造異性体は分子式が同じで原子のつながり方が異なるものです。直鎖を左右から書いた2つの式は、端からたどる順序が逆なだけなら同じ構造です。枝の位置も、反対側から数え直すと一致することがあります。まず炭素に直接つながる炭素の数を調べ、次に枝から端までの距離を比べると、回転や裏返しによる見かけの違いを除けます。

幾何異性体はつながり方が同じでも二重結合のまわりの配置が違うものです。二重結合の両端それぞれに、互いに異なる2種類の原子または原子団がついている場合に、区別できる配置が生じます。片方の炭素に水素が2個ついていると、入れ替えても違う配置にはならず、この条件では幾何異性体を数えません。

基本例題：枝を残し、重複を消す

鎖式のアルカン C₅H₁₂ について、構造異性体をすべて縮合構造式で書き、その数を整数で答えてください。立体的な向きの違いは別に数えません。各式の炭素と水素の個数、各炭素の結合数も確かめます。

まず、5個の炭素を1列につなぎます。両端にはそれぞれ水素3個、途中の3個の炭素にはそれぞれ水素2個がつくので、式は次のようになります。

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

炭素は5個、水素は 3+2+2+2+3 = 12個です。これが最長の炭素の列を5個とする場合です。両端を逆にしても炭素の接続は変わらず、新しい候補は増えません。

次に、最長の列を4個として、残る炭素を1個の枝にします。端の炭素につけると、実際には5個が連続する列になり、先ほどの式と同じです。端以外につけると、次の式になります。

CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃

水素の数は 3+1+3+2+3 = 12個です。枝のついた炭素は、左右の炭素と枝の炭素に各1本、水素に1本で、合計4本です。反対側の端から枝を数える式も、同じ接続なので重複します。

さらに、最長の列が3個の場合を考えます。残り2個を枝にし、中央の炭素に両方つけると次の式です。

CH₃-C(CH₃)₂-CH₃

中央の炭素には周囲の炭素4個が直接つながるため、水素はつきません。4個の CH₃ があるので水素は 3 × 4 = 12個です。枝を端につけると、端から枝を通ってより長い列をつくれるため、最長の列が3個という条件から外れます。

図2のように、最長の列が5個、4個、3個の場合に分けると、3種類です。各式を分子式に戻すと、いずれも C₅H₁₂ になります。順序を逆にした式を追加せず、最長の列で場合分けしたことが、漏れと重複の点検につながります。

ここでの最長の列は、紙に横向きに書いた列の長さではありません。折れ曲がっていても、隣り合う炭素をたどったときに最も長くなる列です。最初に描いた横線を固定して数えると、枝として書いた炭素を列に含められる場合を見落とします。各候補について端から端までたどり直してください。

発展例題：反応量で混合物を分ける

エテン C₂H₄ とエチン C₂H₂ の混合物が合計 0.50 mol あります。十分な量の触媒のもと、各成分を完全に水素付加してエタン C₂H₆ にしたところ、水素 H₂ を 0.80 mol 消費しました。最初の各成分の物質量を mol 単位で小数第2位まで求めてください。反応は指定した水素付加のみとし、途中で丸めません。

エテンが x mol、エチンが y mol とすると、最初の混合物の量から x+y = 0.50 です。エテンは1 molにつき水素を1 mol、エチンは完全にエタンになるまでに水素を2 mol消費します。反応式は次のとおりです。

C₂H₄ + H₂ → C₂H₆

C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆

よって、消費した水素の量は x+2y = 0.80 です。後の式から前の式を引くと y = 0.30、これを最初の式に代入すると x = 0.20 です。エテンは 0.20 mol、エチンは 0.30 mol です。

答えを場面に戻すと、混合物は 0.20+0.30 = 0.50 mol、水素の消費は 0.20+2 × 0.30 = 0.80 mol となります。どちらの成分量も負ではありません。また、生成するエタンは合計 0.50 mol で、炭素原子の物質量は反応前後とも 1.00 mol です。水素原子も反応前は炭化水素中の 1.40 mol と水素分子中の 1.60 mol を合わせて 3.00 mol、反応後はエタン中の 3.00 mol です。

分かれ目は、エチンへの付加をどこまで進めたかです。エチンに水素を1 mol分だけ付加した段階なら生成物はエテンで、エタンまで完全に付加する場合とは消費量が違います。また、最初に加えた水素の量が示されていて余りがあるなら、まず加えた量から余った量を引いて消費量を出します。余りを含む値をそのまま式の右辺に置いてはいけません。

誤答を接続と反応式に戻す

「CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ と CH₃-CH₂-CH(CH₃)-CH₃ は枝の位置が違うので別物」という答えは誤りです。左から数えると枝はそれぞれ2番目と3番目ですが、右端からたどれば同じ場所です。図3のように枝分かれした炭素と、その左右の端までにある炭素の数を比べると、接続が一致します。

この間違いの原因は、紙上の左右を分子そのものの違いとみなすことです。修正するときは、枝の炭素がつながる先を指でたどり、分岐点から短い側と長い側を比べます。見た目を回すだけで一致するなら、構造異性体を1種類増やしてはいけません。

もう1つの誤りは、付加と置換を混同することです。エテンへの臭素の付加は CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br です。二重結合が単結合になり、臭素原子が両方の炭素につきます。反応の前後で C が2個、H が4個、Br が2個です。対してメタンと塩素の光による置換の一段階は CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl です。メタンから外れた水素も HCl に残るので、式の両辺は C が1個、H が4個、Cl が2個です。塩素の置換はさらに進むこともあるため、この式は一段階を示しています。

臭素の色が薄くなる観察も、単に「有機物だから」と説明しないようにします。与えられた条件で二重結合に臭素が反応して消費されたと考え、反応前後の結合を示します。条件が書かれていない反応を勝手に追加すると、試薬の消費量も生成物も変わってしまいます。

自分で試す4問

次の問題は指定された範囲で考えてください。構造式は縮合構造式で書き、数は整数、物質量は指定された小数の形で答えます。

1. 鎖式で二重結合を1個もち、ほかの炭素間結合が単結合である C₄H₈ の構造異性体を列挙し、数を答えてください。幾何異性体は区別せず、環状のものは含めません。
2. 1の各構造のうち、二重結合のまわりに幾何異性体が生じるものを選び、その2つの配置を言葉で説明してください。
3. エチン 0.15 mol に臭素 Br₂ を十分に反応させ、三重結合に臭素を完全に付加させます。消費する臭素の物質量を mol 単位で小数第2位まで、生成物の分子式を答えてください。ほかの反応は起こらないものとします。
4. プロパン C₃H₈ とプロペン C₃H₆ の混合物 0.70 mol に、十分な量の水素を触媒のもとで反応させます。プロペンが完全にプロパンになり、水素を 0.25 mol 消費したとき、最初の各成分の物質量を mol 単位で小数第2位まで求めてください。指定した付加以外は起こらないものとします。

答えと考え方

1. CH₂=CH-CH₂-CH₃、CH₃-CH=CH-CH₃、CH₂=C(CH₃)₂ の3種類です。炭素4個のつながりを、枝のない列と枝のある列に分けます。枝のない列では二重結合は端か中央に置けます。反対端に置いた式は、端からたどる向きを逆にすると端の式と一致します。枝のある列では二重結合を中央の炭素と端の炭素の間に置き、対称な端への置き換えを重複として除きます。各式は C が4個、H が8個で、どの炭素も結合の本数が4です。

2. CH₃-CH=CH-CH₃ です。二重結合の両端の炭素にはそれぞれ H と CH₃ がついています。2つの CH₃ が二重結合をはさんで同じ側にあるものがシス形、反対側にあるものがトランス形です。どちらも原子の接続と分子式は同じですが、配置が異なります。ほかの2式には二重結合の端に同じ原子または原子団が2個ついた炭素があるため、この区別は生じません。

3. 消費する臭素は 0.30 mol、生成物は C₂H₂Br₄ です。完全な付加では C₂H₂ + 2Br₂ → C₂H₂Br₄ と表せます。エチン 1 mol に臭素 2 mol が必要なので、0.15 × 2 = 0.30 mol です。生成物は 0.15 mol でき、その中の Br 原子は 0.15 × 4 = 0.60 mol です。反応前の臭素分子 0.30 mol に含まれる Br 原子も 0.60 mol で、C と H の数も両辺で一致します。

4. 最初のプロペンは 0.25 mol、プロパンは 0.45 mol です。C₃H₆ + H₂ → C₃H₈ ではプロペンと水素の比が 1:1 なので、反応したプロペンは 0.25 mol です。混合物全体から引いて 0.70-0.25 = 0.45 mol が最初のプロパンです。反応前の合計に戻すと 0.45+0.25 = 0.70 mol で、必要な水素も 0.25 mol です。反応後のプロパンは 0.70 mol となり、炭素原子は前後とも 2.10 mol、水素原子は反応前の炭化水素中 5.10 mol と水素分子中 0.50 mol の合計 5.60 mol に一致します。

手元に残す要点

炭素の接続と最長の列を確かめて重複を除きます。
幾何異性体は二重結合の両端の原子団を調べます。
付加は多重結合と試薬の物質量の比で追います。
置換では外れた原子の行き先も反応式に書きます。

どこで止まったかを見つける

異性体の数が合わないときは、答えの個数から直すより、まず各構造の炭素に印をつけて、分岐点と隣接する炭素を言葉で説明してみましょう。左右を反転した式を別に数えたのか、最長の列を見落としたのかが見えます。結合数が4を超える場合は、水素を足す前の炭素間結合を先に点検します。

個別指導で確かめるなら、生徒が書いた2つの候補について、どの炭素同士を対応させたかを説明してもらいます。量の問題では、係数の比を式にした行と、解を最初の混合量へ戻した行を見比べます。構造の違いを接続で示せれば、回転させた図に迷わず炭化水素を整理できます。