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高校化学アミノ酸の等電点と電気泳動—溶液の液性から移動方向を判断する｜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

pHと与えられた等電点を比べ、平均電荷から電極への移動方向をたどる電気泳動です。

よくあるのは、等電点より低いpHの溶液中で、アミノ酸が陽極へ向かうと答えてしまう場面です。酸性側では正の電荷が増えるところまでは思い出せても、正の電極に引かれると結び付けてしまうのです。電荷の符号と電極の符号を別々に書けば、この取り違えは防げます。ここでは等電点を与えられた条件として、電気泳動の方向と分離の読み取りを考えます。

問題の条件をどこから読むか

出方は大きく3通りあります。第1は、一種類の等電点と溶液のpHから移動方向を決める問いです。第2は、同じpHに置いた複数の物質を比べ、どちら側に分かれるかを問うものです。第3は、泳動の結果から等電点の範囲や実験上の問題点を考えるものです。

いずれも、はじめに溶液のpHとその物質の等電点を比較します。次に平均の電荷の符号を書き、最後に反対符号の電極を選びます。装置の図では左右を覚えず、電極に付いた正負を読みます。電極の位置を入れ替えれば、同じ物質の左右の移動方向も入れ替わります。

数値として登場する等電点は、以下の問題のために与えた値です。実在する特定のアミノ酸の測定値ではありません。等電点の求め方を暗記する必要はなく、問題の条件から比較する練習に集中します。

電荷の平均と電極をつなぐ

アミノ酸には塩基としてH⁺を受け取るアミノ基と、酸としてH⁺を放出するカルボキシ基があります。側鎖に電離する基がない場合、代表的な形を次のように表せます。Rは側鎖を表し、電荷を持たないものとします。

H₃N⁺–CH(R)–COOH  →  H₃N⁺–CH(R)–COO⁻  →  H₂N–CH(R)–COO⁻
全体の電荷 +1             全体の電荷 0              全体の電荷 -1

右へ進む各変化ではH⁺を1個放出します。pHが低い側ではH⁺を受け取った形が相対的に増え、高い側ではH⁺を放出した形が相対的に増えます。実際の溶液には複数の形が平衡で存在するので、あるpHで全粒子が一つの形になると考える必要はありません。側鎖も電離する場合は、その電荷も加えて数えます。

中央の形は、同じ粒子内に正と負の電荷を持つ双性イオンです。電荷が消えているわけではなく、足し合わせた結果が0です。等電点は、溶液中のその物質の平均の正味の電荷が0になるpHです。正味0の粒子が多くても、正や負の粒子が共存し、それらの寄与が平均としてつり合うことがあります。

図1のように、等電点を境にpHを比較します。等電点より低ければ平均の電荷は正、高ければ負です。等電点では平均の電荷が0なので、理想化した電気泳動では電場による正味の移動を示しません。

図1の陰極は負、陽極は正です。正に帯電した粒子は負の陰極へ、負に帯電した粒子は正の陽極へ引かれます。陰極という名前と電荷の関係を先に書き、平均電荷と照らし合わせると、左右の図が変わっても判断できます。

等電点は「溶液のpHが7」という意味ではありません。等電点が7より低い物質なら、pHが7未満でも、その物質の等電点より高い場合があります。その場合は平均の電荷は負です。「酸性だから必ず正」という判断は、比較すべき相手を取り違えています。

平均の電荷の符号は移動方向の判断に役立ちますが、符号だけでは移動距離を決められません。移動のしやすさは電荷の大きさだけでなく、媒質や粒子の性質、電場、時間などにも左右されるためです。同じ方向へ移動する2種類の距離の大小は、追加条件なしには断定しません。

基本例題：基準より低いpH

物質Aの等電点を6.4とします。pH 4.2に保った媒質にAを置き、左に負の陰極、右に正の陽極を接続して電気泳動します。Aの平均電荷の符号と移動する電極を、比較の理由とともに答えてください。電場以外による移動は無視します。

まず、pHと等電点の大小を1行ずつ確かめます。

溶液のpH 4.2 < Aの等電点 6.4
Aの平均の電荷は正
正の電荷を引く電極は負の陰極
陰極は左側

答えは、平均電荷は正で、左の陰極に向かいます。図2のように、基準となる等電点よりpHが低いことから符号を決め、その符号と反対の電極へ矢印を描きます。最後に「正の電荷と負の電極は引き合う」と場面へ戻すと、矢印の向きをもう一度検査できます。

別の見方では、等電点からpHを下げるとH⁺を受け取った形が相対的に増える、と考えます。正の寄与が増えるので陰極へ向かいます。これは符号表の暗記を忘れたときにも、酸塩基の変化と電気的な引力から復元できる方法です。

ただし、図2の矢印の長さは方向を表す模式図で、移動距離の予測値ではありません。電源がつながっていない場合や、媒質の流れが強い場合の観察位置まで、この条件だけで決めることはできません。

標準例題：同じpHでも判定は別々

物質B、C、Dの等電点をそれぞれ3.8、5.6、8.2とします。3種類を同じ出発点に置き、pH 5.6の媒質で泳動します。陰極と陽極を明記し、各物質の移動方向または正味の移動がないことを答えてください。電場以外による移動は無視します。

比較は物質ごとに行います。pHが共通でも、基準にする等電点が異なります。

B: 5.6 > 3.8 → 平均の電荷は負 → 陽極へ
C: 5.6 = 5.6 → 平均の電荷は0 → 正味の移動なし
D: 5.6 < 8.2 → 平均の電荷は正 → 陰極へ

したがってBは陽極側、Dは陰極側に移り、Cは出発点に残ります。逆向きに確認すると、陽極へ引かれるBは負、陰極へ引かれるDは正です。それぞれのpHが等電点より高い、低いという条件に戻ります。

BとDは反対側に分かれるので、方向の違いから分離を見込めます。一方、同じ側へ動く2種類が現れた場合、同じ位置になるとも十分に分かれるとも決められません。距離を論じるには、各物質の移動度や泳動時間などの条件が必要です。

発展例題：観察から等電点の範囲を絞る

物質EをpH 4.7の媒質で泳動すると陰極へ移り、pH 7.3の媒質では陽極へ移りました。両条件で電場以外の移動を無視でき、観察された方向は電気泳動によるものとします。Eの等電点の範囲を不等号で示し、端の値を含むかも答えてください。

陰極へ向かうときは平均の電荷が正です。したがって、そのときのpHは等電点より低くなります。

pH 4.7で陰極へ → 平均の電荷は正
4.7 < Eの等電点
pH 7.3で陽極へ → 平均の電荷は負
Eの等電点 < 7.3
4.7 < Eの等電点 < 7.3

答えは4.7より大きく7.3より小さい範囲で、端の値は含みません。たとえば範囲内の値を基準に置くと、4.7はその基準より低く、7.3は高くなります。予測は陰極、陽極の順となり、観察と一致します。逆に等電点が端の値なら、そのpHでは理想条件で正味の移動を示さず、観察と合いません。

この結果から等電点の正確な数値は求まりません。間のpHを選んで観察を重ねると範囲を絞れますが、出発点に近いことと完全に移動しないことは同じではありません。測定の分解能や観察時間を考え、移動が小さくて見分けられない可能性を残します。

観察を確かめる設計と読み取り

移動方向を比較するなら、試料以外の条件をそろえます。同じ媒質、電極の配置、電圧、泳動時間、出発点を用い、測定前後のpHも確かめます。pHを変える比較では、変えるのは媒質のpHであり、測るのは出発点からの位置です。操作は学校の指導の下で行います。

対照として、試料を置かずに媒質を同条件で扱えば、媒質自体の着色や汚れを見分ける助けになります。電源を入れない条件を別に設ければ、拡散や媒質の流れによる位置の広がりを調べられます。いずれも試料の電荷を直接測るものではないので、電場をかけた結果とあわせて判断します。

たとえば出発点の記録を実際より陽極側にずらすと、測った変位は陰極方向に偏ります。電極の配線を記録と逆にすると、左右は合っていても電極名の結論が逆になります。pHが泳動中に変化すれば、設定した値と試料付近の値が異なり、予測との比較が難しくなります。変化の向きや程度が不明なら、誤差の向きを一律に決めず、pHの記録を確認します。

位置を横軸、試料の量を縦軸にしたグラフでは、出発点を0とし、どちら側を正としたかを先に読みます。山の中心が陽極側にあれば、その条件での正味の変位は陽極向きです。幅のある山は試料の広がりを表し、山の端の位置をそのまま全粒子の移動距離とみなせません。重なった山からは、2種類が完全に分離したとは結論できません。

誤答を直す：符号と電極名を混ぜない

基本例題で「pHが等電点より低いので正、したがって陽極へ」と書いた答案を考えます。前半の符号は正しいものの、後半は同じ符号同士を引き合わせています。図3のように、正の平均電荷と負の陰極を対にして書き直します。

図3の誤りは、陽極という名前の「陽」と、試料の正電荷を同じものとして対応させたことにあります。電極名には電極自身の符号を書き添え、試料との間で反対符号を選びます。左右についても、図の陰極がどちらにあるかを最後に見直します。

別の誤りは「等電点で動かないから、電荷を持つ粒子は存在しない」とすることです。等電点で0なのは平均の正味電荷です。双性イオンの中には正と負があり、正味の電荷が正や負の形も共存しえます。平均としてつり合うことと、各粒子に電荷がないことを区別します。

さらに「pH 6なら酸性だから陰極へ」と即答する答案も危険です。等電点が与えられていなければ、pH 6がその物質の等電点より高いか低いかは決まりません。まず条件を探し、欠けていれば方向を決める根拠が不足すると答えます。

練習問題

次の値は各問題の条件として与えたもので、実測値ではありません。特に断りがなければ、電場以外による移動を無視し、等電点では正味の移動がないものとします。答えには比較と電荷の根拠も添えてください。

物質Fの等電点は4.5です。pH 6.1で泳動するとき、平均電荷の符号と向かう電極を答えてください。
物質G、Hの等電点はそれぞれ7.8、3.1です。pH 5.0で同じ出発点から泳動するとき、それぞれの方向と両者が反対側に分かれるかを答えてください。
物質Jの等電点は9.2です。pH 9.2での平均電荷と正味の移動を答え、双性イオンの電荷との違いを説明してください。
物質KはpH 5.2で陰極へ、pH 6.8で陽極へ移りました。等電点の範囲を不等号で答え、端を含むか示してください。
物質Lの等電点は4.0、物質Mの等電点は5.0です。pH 8.0で同じ出発点から泳動します。各方向を答え、LとMの移動距離を比べられるか、理由とともに答えてください。

練習の解答と解き方

6.1 > 4.5なのでFの平均電荷は負、正の陽極へ向かいます。陽極は負の試料を引くため、この答えを電極の符号からも確かめられます。
Gは5.0 < 7.8なので平均電荷が正で陰極へ向かいます。Hは5.0 > 3.1なので平均電荷が負で陽極へ向かいます。陰極と陽極は反対側の電極なので、両者は出発点から反対側に分かれます。
pHと等電点がともに9.2なので、Jの平均の正味電荷は0で、電場による正味の移動はありません。双性イオンは正と負の電荷を同一粒子内に持ち、その和が0です。平均が0という条件から、各粒子に電荷がないと結論することはできません。
陰極への移動から5.2 < Kの等電点、陽極への移動からKの等電点 < 6.8です。答えは5.2 < Kの等電点 < 6.8で、端は含みません。範囲内の基準で元の2つのpHを比べると、それぞれ低い側、高い側となり、観察方向に戻ります。
8.0は4.0と5.0のいずれよりも高いので、LもMも平均電荷は負で陽極へ向かいます。両者の移動距離の大小は決められません。等電点との差だけで移動度が定まるとは与えられておらず、媒質中の移動のしやすさなどが必要だからです。同じ側に向かうという答えは、それぞれを各自の等電点と比較して確かめます。