高校化学 アルキンの反応—付加の段階と水和後の変化を区別して読む｜武蔵野個別指導塾

三重結合への水素付加を2段階に分け、エチレンとエタンの生成量を求めながら、アセチレンの水和後に残る構造まで追います。

よくあるのは、アセチレンに水が付加した直後の構造を書き、そのまま最終生成物として答案を閉じる場面です。炭素と水素の数は合っていても、学校で扱う水和反応の生成物を問われた場合には、もう一段階の変化まで追う必要があります。三重結合に何分子が付くかという量の問題と、付加後に原子のつながりが変わる問題を分けて考えましょう。

問題文のどこで立ち止まるか

アルキンは炭素間に三重結合をもつ炭化水素です。問題では、アセチレンに水素や臭素が何 mol 付加するか、途中で止まった物質と完全に付加した物質がどう違うか、水和後にどの官能基をもつ物質が得られるかを問われます。まず反応物の量、反応の段階、生成物を何で答えるかに印を付けます。

水素の付加では、三重結合を二重結合に変える段階と、さらに単結合に変える段階で、それぞれ水素1分子が必要です。ただし、反応がどこで止まるかは条件や問題の与件によります。単に水素を加えたという記述から、途中の物質だけが得られたと決めることはできません。

水和では水の原子を数えるだけでは最終構造が決まりません。付加直後の形と、その後に移り変わる形を別の行に書くと、原子の保存を確かめながら結論まで進めます。以下の量の問題では、反応する量と生成物の回収量が与えられた理想的な条件を使います。

三重結合の段階と水和の行き先

アセチレン HC≡CH の炭素はそれぞれ水素1個と結合しています。炭素は通常4本の結合をつくるので、三重結合に水素 H₂が1分子付くと、炭素間は二重結合になり、各炭素に水素が1個ずつ増えます。生成物はエチレン CH₂=CH₂ です。さらにH₂が1分子付けば、炭素間は単結合になり、エタン CH₃-CH₃ になります。

図1のように、同じ出発物質1 mol に対して、二重結合までならH₂は1 mol、単結合までなら合計2 molです。これは炭素間の結合を全部切るという意味ではありません。炭素同士は生成物でもつながっています。

図1の各段階で炭素数は2のままです。水素は段階ごとに2原子ずつ増えるので、分子式を左から C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆ と照合できます。臭素 Br₂の付加も、1段階につき臭素分子1個が加わる点は同じです。ただし生成物には水素ではなく臭素が結合します。臭素の色の変化は不飽和結合の存在を考える手がかりですが、観察だけで物質を唯一決定することはできません。

アセチレンの水和では、酸性条件で水銀(II)塩を触媒として水が付加し、最終的にアセトアルデヒドが得られます。付加直後の形を CH₂=CH-OH と書くと、これは炭素間の二重結合をもつ炭素にOHが結合した形です。この形から水素の位置と二重結合の位置が変わり、CH₃-CHO になります。両者の分子式は C₂H₄O で、原子が外から増減する変化ではありません。前者を途中の形、後者を学校で扱う最終生成物として区別します。

反応式は物質の変化を表しますが、途中の形を生成物として安定に取り出せるという意味ではありません。また水和の条件がない問題で、あらゆるアルキンの生成物をアセトアルデヒドとすることもできません。ここで最終生成物を指定できるのは、出発物質がアセチレンであるためです。

基本例題：付加量を2段階で数える

問題。アセチレン 0.30 mol に水素を付加し、全量をエタンに変えます。反応は完全に進み、他の反応は起こらないとします。必要なH₂の物質量を有効数字2桁で求め、段階ごとの反応式も書きなさい。

まず、1分子あたりの対応を反応式で確かめます。

HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃

図2のように、各段階でアセチレン由来の物質1 mol にH₂が1 molずつ対応します。2段階の合計はアセチレン1 molにH₂ 2 molです。

図2の量を使うと、0.30・2 = 0.60 mol です。答えは 0.60 mol です。逆に 0.60 mol のH₂を2段階に等しく配ると各段階0.30 molとなり、出発物質の全量に対応します。炭素は左右とも2個、水素は全体で左が2 + 4 = 6個、右が6個です。

別の考え方では、C₂H₂からC₂H₆への水素原子の増加は1分子あたり4個です。H₂は水素原子を2個含むので、4/2 = 2分子が必要です。結合の段階から数えた結果と一致します。この別解は途中で止まる生成物の構造を知るためには不十分なので、途中も問われたら段階の式を残します。

観察と量を結び直す

標準例題：途中で止まった量を求める

問題。アセチレン 0.40 mol にH₂を付加したところ、生成物はエチレンとエタンのみで、未反応のアセチレンはありませんでした。消費したH₂は 0.60 mol です。各生成物の物質量を有効数字2桁で求めなさい。他の反応や損失はないものとします。

エタンを x mol とします。炭素骨格は切れず、出発物質1分子から生成物1分子ができるので、エチレンは (0.40 − x) mol です。エチレンになる分にはH₂が1倍、エタンになる分には2倍必要です。

(0.40 - x) + 2・x = 0.60
x = 0.20
0.40 - x = 0.20

エチレン 0.20 mol、エタン 0.20 mol です。戻して調べると、生成物の合計は0.40 mol、H₂の消費量は0.20 + 2・0.20 = 0.60 molです。両方とも非負で、条件を満たします。

別解では、全量がエチレンになるためのH₂ 0.40 molを先に割り当てます。残る0.20 molのH₂が、エチレン0.20 molをエタンへ進めます。全量をエチレンにするにも足りない量や、全量をエタンにする量を超える値が与えられた場合、この生成物条件とは両立しません。負の物質量を答えとして採用せず、与件や計算を見直します。

発展例題：水和の記録を読む

問題。学校の指導の下で、アセチレンの水和について記録を読みます。反応したアセチレンは 0.25 mol、水は十分量で、アセトアルデヒド以外の生成物と損失はないものとします。生成したアセトアルデヒドの物質量を有効数字2桁で求め、途中の形と最終構造を構造式で示しなさい。

HC≡CH + H₂O → CH₂=CH-OH → CH₃-CHO

出発物質と最終生成物は1対1です。したがって答えは 0.25 mol、途中の形は CH₂=CH-OH、最終構造は CH₃-CHO です。左辺の原子数はCが2、Hが4、Oが1で、右端も同じです。0.25 molの生成物から逆にたどると、反応したアセチレンは0.25 molで与件に戻ります。

水銀化合物などを扱う実験は学校の指導の下で行い、ここでは操作を再現せず記録の解釈に集中します。生成物を調べるときは、既知のアセトアルデヒドを用いた対照と、試料を入れない対照を比べる設計が役立ちます。反応液の残留物や試薬の状態が観察を妨げる可能性もあるため、期待した変化が見えない場合に直ちに生成量をゼロと断定しません。

量のグラフでは、横軸をアセチレンの物質量、縦軸を完全にエタンにするためのH₂の物質量とすると、理想条件では原点を通る直線になります。傾きは2で、横軸が1 mol増えるごとに縦軸は2 mol増えます。測定された消費量が理論値より小さければ、反応の未完了や生成物の条件違いを候補にします。気体の漏れを消費量として数えたなら、見かけの消費量は大きくなり得ます。どちらも実際の原因は記録だけでは決まらず、装置や測定方法を調べます。

観察の比較では、同じ量の試料を使ったか、反応前後の記録を同じ基準で読んだかも確認します。たとえば色の変化が小さいとき、試料の反応不足と、試薬自体の状態の違いは別の可能性です。対照の記録を併せて読み、1つの見た目から付加の段階や生成物の純度まで決めないことが大切です。

誤った答えを修理する

「水が付いたので CH₂=CH-OH が最終生成物」という答案は、原子数の保存までは正しく押さえています。誤りは、付加直後の形からアセトアルデヒドへの変化を止めてしまったことです。図3のように、両方の式を並べてから、最終生成物の側に印を付けます。

図3ではC₂H₄Oという分子式が共通です。分子式が同じでも結合のつながりが異なることに注意します。CH₃-CH₂-OH は水素が6個であり、この水和の原子収支に合わないため候補から外れます。水和に続いて別の還元を行うという条件があれば別ですが、与えられていない反応を勝手に加えてはいけません。

もう1つの誤りは、三重結合にH₂が3分子必要とする数え方です。三重結合の3本をすべて取り除くのではなく、炭素間に単結合を残すので2分子です。逆にH₂ 1分子でエタンとすると、水素原子が2個足りません。式の左右で炭素と水素を数え直し、反応の段階に戻して修正します。

練習：条件を外さずに追う

次の5問はそれぞれ独立です。量は損失がなく、指定した反応だけが完全に進むとします。数値の答えは有効数字2桁で示してください。

1. アセチレン 0.15 mol を全量エチレンにするとき、必要なH₂は何 mol ですか。生成物の構造式も書きなさい。
2. アセチレン 0.12 mol を全量エタンにするとき、必要なH₂は何 mol ですか。生成物の構造式も書きなさい。
3. アセチレン 0.50 mol が全量反応し、エチレンとエタンのみになりました。H₂の消費量が 0.70 mol のとき、それぞれ何 mol ですか。
4. アセチレン 0.18 mol に水を十分に反応させ、アセトアルデヒドだけを得ました。生成物は何 mol ですか。最終生成物の構造式も書きなさい。
5. アセチレン 0.10 mol に臭素が2段階付加し、全量が CHBr₂-CHBr₂ になりました。消費したBr₂は何 mol ですか。途中の生成物を構造式で書きなさい。立体配置は区別しません。

解答と確かめ

1. 0.15 mol、CH₂=CH₂ です。1段階目は1対1なので、0.15 molに同量が必要です。生成物0.15 molの水素原子は合計0.60 molで、出発物質中の0.30 molとH₂中の0.30 molを合わせた量に戻ります。
2. 0.24 mol、CH₃-CH₃ です。2段階で0.12・2 = 0.24 molです。各段階に0.12 molずつ割り当てると、元のアセチレンの量に対応します。
3. エチレン 0.30 mol、エタン 0.20 mol です。まず全量をエチレンにするH₂は0.50 molで、残り0.20 molが同量のエチレンをエタンにします。戻すと生成物は合計0.50 mol、H₂は0.30 + 2・0.20 = 0.70 molです。
4. 0.18 mol、CH₃-CHO です。水和とその後の変化を通してアセチレン1分子から生成物1分子ができます。生成物0.18 molには炭素原子が0.36 mol含まれ、出発物質の炭素量に一致します。
5. 0.20 mol、途中の形は CHBr=CHBr です。1段階に0.10 molずつ必要です。最終生成物中の臭素原子は0.40 molで、Br₂ 0.20 molに含まれる臭素原子の量に一致します。最初から生成物に臭素が2個しかないとすると、2段階目が抜けています。

持ち帰る要点

• 三重結合から二重結合へ、さらに単結合へ進む各段階でH₂が1分子付加します。
• アセチレンの水和では、付加直後の形からアセトアルデヒドへの変化まで追います。
• 物質量は段階ごとの係数で結び、答えを元の量と原子数に戻して確かめます。
• 観察結果の不足や反応の未完了は、理想条件の計算と区別します。

手が止まったときの確認

構造式を描けない場合は、まず各炭素の結合の合計が4になるように水素を書き込みます。量が合わない場合は、1分子が途中まで進んだのか、最後まで進んだのかを色分けせず式の行で分け、molの係数を確認します。個別指導で答案を見直すなら、途中の形と最終構造のどちらを問われたかを指で示し、原子数と単位を声に出して照合すると、どこで読み違えたかを確かめられます。結合の変化を1段階ずつたどれば、水和後の答えも最後まで届きます。