高校化学 アルコールの構造と性質—水素結合と炭素骨格から溶け方を説明する｜武蔵野個別指導塾

OHと炭素鎖の両方から水との混ざり方を考え、ナトリウムとの反応量やグラフの読み違いを通してアルコールの性質に迫ります。

よくあるのは、構造式にOHが見えると、炭素数が違っても水への溶け方は同じだと考える場面です。OHは水との間に水素結合をつくる手がかりですが、分子の残りの部分は消えません。炭素骨格も一緒に水の中へ入るからです。短い鎖と長い鎖を同じ記号で片づけず、分子全体を見て説明を組み立てましょう。

どの情報を比べるのか

問題には、構造式から溶け方の傾向を説明する型、与えられた物性グラフから条件と大小を読み取る型、ナトリウムとの反応から水素の物質量を求める型があります。それぞれ答えの根拠が異なります。構造から傾向を考えるときはOHの数と炭素骨格を、グラフでは軸と単位を、反応量では係数と過不足を先に確認します。

溶けやすいという言葉は、どれだけの水に、どの温度で、どれだけ溶けるかという条件を含みます。透明な液体が見えたという観察だけでは、任意の割合で混ざるとまでは言えません。問題が示す温度や溶媒の量をそろえ、測った範囲と結論の範囲を対応させます。実測値が与えられていないとき、数字を想像して補うことはできません。

水と出会う二つの部分

まず比較の条件を限定します。OHが1個の鎖式アルコールを比べ、ほかの官能基がなく、似た骨格で炭素鎖を長くしていく場合には、水への溶けやすさは一般に小さくなります。枝分かれやOHの数が違う場合も炭素数だけで順位を確定せず、実際の与件を確認します。温度も比較の条件です。この傾向は、すべての有機物にそのまま当てはまる法則ではありません。

アルコールのOHはヒドロキシ基と呼びます。酸素は水素との結合で電子を引き寄せるので、O側とH側に電荷の偏りが生じます。アルコールのOHと水分子との間には水素結合が形成されます。アルコール分子どうし、水分子どうしにも水素結合があります。水へ混ざるときは、もとの分子間の引力を組み替え、アルコールと水の間にも新しい引力が生じます。

図1のように、OHを含む部分は水と相互作用しやすい親水部、炭素と水素からなる部分は水と水素結合をつくりにくい疎水部として見ることができます。疎水部は水をはね飛ばす壁という意味ではありません。水同士がつくるような水素結合を炭化水素部分がつくれない、という比較です。分子を混ぜる前後の相互作用全体と、混ざり方の変化が溶解に関わります。

図1は部分の役割を示す模式図で、分子の大きさや結合角を表していません。炭素鎖が長くなると、水と水素結合をつくりにくい部分の割合が大きくなります。OHの働きが消えるのではなく、その働きと炭素骨格の影響の両方で水への溶け方が決まります。したがって「OHがあるから必ず水と任意の割合で混ざる」という説明は不足です。

溶解性と沸点も区別します。どちらにも分子間の引力が関わりますが、溶解は水との混合、沸騰は液体から気体への変化です。同じ炭素数でも構造の違いがあるため、一方の順序をもう一方の順序として無条件に使えません。水への溶け方を聞かれたら、水との相互作用に話を戻します。

基本例題：水素は何 mol 生じるか

水を含まないエタノール0.080 molとナトリウム0.060 molが反応します。反応は完全に進み、発生する気体はすべて水素として回収されたとします。水素の物質量を有効数字2桁で求め、反応後のエタノールとナトリウムの残量もそれぞれmolで示してください。計算に原子量や気体の体積は使いません。

反応式は次のとおりです。

2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂

式の係数からエタノールとナトリウムは1対1で消費されます。0.080 molのエタノールを全部反応させるには0.080 molのナトリウムが必要です。実際にあるのは0.060 molなので、先になくなるのはナトリウムです。エタノールが余ります。

図2のように、ナトリウム0.060 molに対応するエタノールは0.060 mol、水素はその半分の0.030 molです。残ったエタノールは0.080 − 0.060 = 0.020 mol、ナトリウムは0 molです。

別の見方では、エタノールから生じうる水素は0.040 mol、ナトリウムから生じうる水素は0.030 molです。両方が必要な反応なので小さい方が実際の生成量です。答えを反応式に戻すと、水素0.030 molに対して両原料が各0.060 mol消費され、残量はどちらも負になりません。C、O、Naの数とHの総数も反応前後で保存されます。

この式ではOHの水素が水素分子の材料になります。炭素に結合した水素まで一律に数えてはいけません。また水が混じると水もナトリウムと反応し、水素の由来が複数になります。問題が水を含まないと指定した理由は、アルコール由来の量を単独で計算できるようにするためです。金属ナトリウムと発生する水素には危険があるため、実験は学校の指導の下で扱い、ここでは観察記録を紙上で考えます。

標準例題：グラフの線を式に戻す

ある一価アルコールAについて、水を含まない試料と十分な量のナトリウムを完全に反応させたという計算上の記録を考えます。横軸を試料の物質量x mol、縦軸を発生した水素の物質量y molとすると、原点と点(0.12, 0.060)を結ぶ直線が与えられています。目盛りは両軸ともmolです。xが0.18 molのときのyを有効数字2桁で求め、直線の傾きの意味を説明してください。数値は問題の条件であり実測値ではありません。

一価アルコールは1分子に反応するOHを1個持ちます。反応式の係数はアルコール2に対して水素1なので、y = x/2です。与えられた点に戻すと0.12/2 = 0.060となり、グラフと一致します。x = 0.18ではy = 0.090 molです。傾き0.50は、アルコール1 mol当たり水素0.50 molという係数比を表します。

グラフから直接、0.12 molが1.5倍の0.18 molになれば水素も1.5倍という別解も使えます。ただし原点を通る直線で、ナトリウムが十分あるという条件が必要です。原料が不足したり、反応や回収が不完全だったりすれば、与えられた直線をそのまま外挿できません。測定点が直線より低い場合には、気体の漏れや未反応などが候補です。一方、混入した水からも水素が生じれば、アルコール単独からの予想より大きく見えることがあります。どちらも可能性であり、ずれだけで原因を一つには決められません。

縦軸が水素の体積なら、molのまま傾きを読むことはできません。温度と圧力、およびその条件でのモル体積が必要です。気体が湿っている場合や温度が変わった場合も体積比較に影響します。軸の単位を消さずに読み、計算値と測定値の違いを分けて説明します。

発展例題：混合物と反応箇所の数

水を含まない一価アルコールBと二価アルコールCの混合物が合計0.10 molあります。両者のOHはすべてナトリウムと反応し、ナトリウムは十分にあり、水素0.080 molが完全に回収されたとします。それぞれの物質量を有効数字2桁で求めてください。二価の分子ではOHが2個とも反応するという条件を使います。

Bをx mol、Cをy molとすると、分子数の条件はx + y = 0.10です。OHの物質量はx + 2y molで、水素はその半分です。したがってx + 2y = 0.16となります。2式の差からy = 0.060、x = 0.040です。答えはBが0.040 mol、Cが0.060 molです。

検算では合計が0.10 molに戻り、OHの合計は0.040 + 2・0.060 = 0.16 molです。水素はその半分の0.080 molとなり、与件に合います。別解では、全量が一価なら水素は0.050 molです。二価のCに1 mol置き換えるごとに水素が0.50 mol増えるので、増加分0.030 molを0.50で割るとCは0.060 molです。

ただし気体量だけで混合物の種類や各構造が決まるわけではありません。水の混入があれば、水素の一部は水由来です。反応が不完全ならOHの総量を少なく見積もる方向へ働きます。混合物の候補、反応するOHの数、回収が完全かどうかを問題文から確保して初めて連立式が成り立ちます。

誤答をほどく：OHだけ、あるいは全水素だけを見る

「OHがあるので長い鎖でも短い鎖でも同じだけ水に溶ける」という答えは、親水部を見つけたところまでは合っています。しかし炭素骨格を比較から外しています。図3のように、同じOHが1個でも炭化水素部分の大きさは変わります。似た直鎖同士の比較なら、鎖が長いほど疎水部の影響が増すと書き直します。個別の物質の正確な溶解度や、枝分かれの影響まで炭素数だけで断定しないことも必要です。

もう一つの誤答は、エタノールのHが6個あるから1 molから水素3 molが出るという計算です。反応式では水素分子をつくるのはOHにあるHで、2分子のアルコールからH₂が1分子生じます。全Hを数える方法では、反応後のエトキシドに残るHを消してしまいます。反応式の左右で原子数を数えると、この誤りを見つけられます。

「水素が出たので試料は必ずアルコール」という結論も成立しません。水もナトリウムと反応します。観察が気泡だけなら気体の確認も必要です。乾燥した試料を用いたこと、対照の記録、別の性質を合わせて候補を絞ります。反応が遅い、気体が回収できない、試料が混合物であるといった場合には、期待した結果が見えなくても直ちにOHがないとは言えません。

練習問題

次の5問はそれぞれ独立しています。数値は計算のために与えた条件です。物質量の答えは有効数字2桁とし、構造や理由を問う問題は文章で答えてください。

1. OHが1個の似た直鎖アルコールDとEがあり、Eの炭素鎖の方が長いとします。水への溶けやすさの一般的な傾向と、その理由を述べてください。
2. 水を含まない一価アルコール0.14 molに十分なナトリウムを反応させ、気体を完全に回収します。水素の物質量を求めてください。
3. 水を含まない一価アルコール0.090 molとナトリウム0.040 molを完全に反応させます。水素の物質量と、余るアルコールの物質量を求めてください。
4. 水を含まない二価アルコール0.050 molの2個のOHがともに十分なナトリウムと完全に反応します。水素の物質量を求めてください。
5. 一価アルコールFと二価アルコールGの水を含まない混合物は合計0.12 molです。十分なナトリウムと完全に反応し、水素0.090 molが得られました。Gの2個のOHも両方反応し、気体は完全に回収されたとします。FとGの物質量を求めてください。

練習の答えと道筋

1. 一般にEの方が水に溶けにくい傾向です。どちらにも水と水素結合できるOHがありますが、Eは水と水素結合をつくりにくい炭化水素部分が相対的に大きいためです。温度や骨格などの条件が異なる場合の正確な順序を、この情報だけで決めることはできません。

2. 一価アルコール2 molから水素1 molが生じるので、0.14/2 = 0.070 molです。逆に水素0.070 molを生じるにはアルコール0.14 molが必要で、与えられた量に戻ります。ナトリウムが十分という条件も使っています。

3. ナトリウムと一価アルコールは1対1で消費されるので、ナトリウム0.040 molが先になくなります。水素はその半分の0.020 mol、アルコールの残量は0.090 − 0.040 = 0.050 molです。消費量と残量の和は0.090 molで、元の量に一致します。

4. OHは0.050・2 = 0.10 molあり、2個のOHに対してH₂が1分子生じます。水素は0.050 molです。逆に0.050 molの水素には0.10 molのOHが必要で、二価アルコール0.050 molの2個分に一致します。OHが2個でも片方しか反応しないという条件なら、この答えは使えません。

5. Fをa mol、Gをb molとします。a + b = 0.12、OHの総量は水素の2倍なのでa + 2b = 0.18です。差を取ってb = 0.060、a = 0.060となります。FとGはいずれも0.060 molです。合計は0.12 mol、OHは0.060 + 2・0.060 = 0.18 molなので、水素0.090 molに戻ります。混合水の有無や反応の完了が不明なら、この逆算は一意に使えません。

覚えておくこと

• OHは水との水素結合に関わり、炭化水素部分は水と水素結合をつくりにくい部分です。
• 似た直鎖一価アルコールでは、長い炭素鎖ほど一般に水への溶けやすさが小さくなります。
• ナトリウムとの反応では、反応したOH 2個に対してH₂ 1分子が生じます。
• 水の混入、反応の完了、原料の過不足を確かめてから量を求めます。
• グラフは軸、単位、条件、測定範囲を読んでから比較します。

つまずきを見分けるには

構造式に丸を付けるとき、OHだけを囲んで炭素骨格を見落としていないか確認します。次に、分子1個とOH 1個を同じものとして扱っていないか、二価アルコールの式で確かめます。計算が合わないときは、反応式の係数、先になくなる物質、最後のmolを順にたどります。

個別指導では、説明を先に聞く前に、生徒自身が水と相互作用する部分と炭化水素部分を色分けし、どの比較条件を使ったか言葉にします。グラフなら軸の単位を指し、答えを元の条件に戻してもらいます。どの段階で条件を落としたかが見えれば、知識の不足と読み取りの誤りを分けて修正できます。OHと炭素骨格を同じ分子の中で捉えることが、溶け方を考える出発点です。