高校化学 エステル化の反応式—酸とアルコールの結合箇所から生成物を書く｜武蔵野個別指導塾

酸とアルコールの結合箇所を構造式で追い、エステルの理論生成量と回収量から求める収率を区別して考えます。

よくあるのは、カルボン酸とアルコールからエステルを作る式で、水になる部分を消すとき、カルボキシ基の炭素まで消してしまう場面です。炭素を数えると生成物の骨格が短くなり、質量計算にもずれが生じます。どの結合が残り、どこがつながるかを先に描けば、名称と量の計算を同じ図から確かめられます。

反応式に求められる3つの判断

まず、酸のカルボキシ基とアルコールのヒドロキシ基を見つけ、生成物の接続を描きます。次に、水を含めて原子数と係数をそろえます。最後に、出発物質のうち反応できる量を決め、実際の生成量と理論生成量を区別します。式を書けても、反応が最後まで進むと決めつければ収率の計算を誤ります。

カルボン酸とアルコールの反応は可逆反応として扱います。問題に反応率や平衡時の量が与えられなければ、実際に何 mol できたかは決まりません。一方、与えた物質が反応式の係数に従い最大限反応すると仮定すれば、理論生成量を求められます。この2つを別の量として書くことが出発点です。

残す炭素とつなぐ酸素

ここでは一価カルボン酸 R–COOH と一価アルコール R′–OH を考えます。R と R′ はそれぞれ炭素を含む部分ですが、ギ酸では酸側の R は H です。酸の C=O とその炭素は生成物に残り、酸側の OH とアルコール側の H が水の組として表されます。アルコール側の酸素が酸のカルボニル炭素につながり、R–COO–R′ となります。

図1のように、酸側の C=O を目印にしてアルコール側を O ごと結びます。これは高校で用いる反応式上の原子の対応です。実際の反応は酸を触媒として進み、途中に複数の段階があるため、単純に2つの部分がそのまま離れて即座につながるという操作の説明ではありません。

濃硫酸は酸触媒として用いられ、反応を進めやすくします。また水を除く方向に働くこともあります。触媒は反応前後で正味消費されず、平衡そのものの位置を変えるものではありません。水の除去や反応物の過剰使用による平衡の移動と、触媒による反応速度の変化を混同しないようにします。

名称では、酸から来る部分とアルコールから来る部分を区別します。例えば酢酸とエタノールからは酢酸エチルができます。CH₃COOCH₂CH₃ の左の CH₃COO が酸側、右の CH₂CH₃ がアルコール側です。酸側の炭素数には C=O の炭素も含まれます。酸の炭素2個とアルコールの炭素2個が生成物の炭素4個に保存されます。

反応式は CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O です。左右の原子は C が4個、H が10個、O が3個ずつです。水の酸素を生成物のエステルの酸素と取り違えると、原子数が合っていても由来の対応が崩れます。単なる分子式の一致に加えて、結合先まで点検します。

基本例題：酢酸とエタノールの配分

問題。酢酸 0.20 mol とエタノール 0.30 mol を反応させます。両者は1価で、式の係数は1対1です。生成するエステルの構造式と、理論生成量を mol 単位で有効数字2桁で答えてください。実際の生成量は問わないものとします。

図2のように酢酸は0.20 mol、エタノールは0.30 molです。1 mol ずつ組になるので、酸を全部使うとアルコールは0.20 mol使い、0.10 mol残ります。エステルの理論生成量は 0.20 mol です。構造式は CH₃COOCH₂CH₃ です。酸のカルボニル炭素と、アルコール側の2個の炭素を数えると合計4個です。

逆に生成物 0.20 mol を式に戻すと、両反応物をそれぞれ 0.20 mol 消費し、水も 0.20 mol 生じます。与えた酸の量と一致し、アルコールの残量も負ではありません。実際には可逆反応なので、この値に達すると保証されません。問題に実測量がなければ、残量もこの理論上の仮定に限った値です。

別解では、各反応物の量をその係数で割ります。小さい方が反応の進行量の上限です。両係数が1なので、0.20 と 0.30 の小さい方を選びます。係数が異なる別の反応で単に物質量の大小を比べる方法は使えません。

標準例題：質量と収率をつなぐ

問題。プロピオン酸 0.15 mol とメタノール 0.20 mol からプロピオン酸メチルを作り、生成物を 10.56 g 得ました。原子量を C = 12、H = 1、O = 16 とし、生成物の理論質量を有効数字2桁、収率を有効数字2桁の百分率で答えてください。回収した物質は純粋な生成物とします。

式は CH₃CH₂COOH + CH₃OH ⇄ CH₃CH₂COOCH₃ + H₂O です。酸とアルコールは1対1なので、酸が上限を決めます。エステルの式は C₄H₈O₂、モル質量は 88 g/mol です。理論生成量 0.15 mol に掛けると 13.2 g で、有効数字2桁では 13 g です。収率を求める途中では丸めず、10.56/13.2・100 = 80 から 80% です。

検算では、10.56/88 = 0.12 mol のエステルが回収されたと戻します。生成に必要な酸とアルコールは各 0.12 mol で、最初の量を超えません。回収された水の量は測定していないため、ここから水の回収量を断定しません。回収量は反応した量と同じとは限らず、分離の損失もあり得ます。

収率の分母は、実際に使った酸とアルコールの和の質量ではありません。目的物が最大限できたときの質量です。反応式を無視して出発物質の質量の合計を分母にすると、水へ移る原子まで目的物に入れたことになります。純度が不明な生成物を量った場合は、不純物の分だけ目的物の収率を高く見積もる可能性があります。

発展例題：平衡で残る量を読む

問題。ある一価カルボン酸 0.40 mol と一価アルコール 0.40 mol を混合し、水とエステルの初めの量を0 molとします。平衡時に酸が 0.16 mol 残りました。副反応はなく、各物質は反応器から出入りしないものとします。平衡時のエステルと水の量、および理論生成量に対するエステルの割合を、有効数字2桁でそれぞれ mol と百分率で答えてください。

酸の減少量は 0.40 − 0.16 = 0.24 mol です。式の係数が1対1対1対1なので、アルコールも 0.24 mol 減り、エステルと水は各 0.24 mol 増えます。理論生成量は 0.40 mol ですから、割合は 0.24/0.40・100 = 60% です。アルコールの残量も 0.16 mol となり、負ではありません。

別の見方では、生成したエステルを x mol と置き、酸の残量を 0.40 − x と表します。これが 0.16 mol と等しいため x = 0.24 mol です。初めにエステルや水が存在する場合には、生成量と平衡時の量は一致しません。変化量を初期量に足す表を作り直します。

時間を横軸、各物質の量を縦軸にした記録では、酸の曲線は初めの 0.40 mol から減り、平衡に達すると一定になります。エステルは0から増え、同じ時点で一定になります。曲線が水平になっても反応が停止したとは限らず、正反応と逆反応の速さが等しい状態です。グラフの傾きは量の変化の速さを表し、水平部分だけで個々の反応速度が0とは言えません。

学校の指導の下で得られた観察記録を考えるとき、試料の移し替えで生成物を失えば、回収量から計算する収率は小さくなります。逆に生成物に水などが残れば、量った質量は大きくなります。両方の誤差が同時にあれば、どちらが勝つかは記録だけでは決まりません。対照として容器の質量を差し引き、乾燥や移し替えの記録を確認します。危険のある操作は学校の指導の下で行います。

間違った式を原子まで戻す

酢酸とエタノールから CH₃OCH₂CH₃ と H₂O ができる、と書いた答案を考えます。前者はエーテルであり、酢酸の C=O とその炭素が消えています。図3のように、まず酸のカルボキシ基の炭素を残し、その炭素に酸素を介してエチル基を結びます。正しくは CH₃COOCH₂CH₃ です。

誤答の原因は、水を作るために COOH 全体を消したことです。水に対応させるのは酸の OH とアルコールの H です。反応前の炭素は4個、誤答のエーテルには3個、水には0個なので、炭素保存で不成立と判断できます。酸素の個数も左右で合いません。

もう1つの誤りは、触媒があるので収率が必ず100%だとすることです。触媒は平衡への到達を速めますが、平衡の組成をそれだけで決めません。物質量の上限を計算した後、実測値や収率が与えられているかを見直します。水の除去が示された場合も、どこまで除去されたかが不明なら実際の生成量を数値で決められません。

練習：式と量を別々に確かめる

次の5問は独立です。計算結果は指定された形で答えます。質量を使う問題の原子量は C = 12、H = 1、O = 16 です。

1. ギ酸とエタノールの反応について、エステルの省略構造式と水を含む反応式を書いてください。
2. 酢酸 0.35 mol とメタノール 0.12 mol を反応させます。酢酸メチルの理論生成量と、理論上の酸の残量を mol 単位、有効数字2桁で答えてください。
3. 酢酸と1-プロパノールから生じる酢酸プロピルの理論生成量が 0.25 mol です。実際の純粋な生成物が 15.3 g のとき、理論質量と収率を有効数字2桁で答えてください。
4. 一価の酸 0.50 mol とアルコール 0.30 mol を密閉系で混合し、最初に生成物と水はありません。平衡時にエステルが 0.18 mol でした。酸、アルコール、水の平衡時の量を mol 単位、有効数字2桁で答えてください。
5. 酢酸とメタノールの反応で、生成物を十分に回収した後、その生成物に水が混入したまま質量を量りました。純粋な生成物の質量を用いた場合と比べ、計算される収率はどうずれますか。理由も答えてください。

練習の答えと解き方

1. HCOOH + C₂H₅OH ⇄ HCOOC₂H₅ + H₂O です。HCOO の炭素がギ酸のカルボキシ基の炭素です。左右とも C は3個、H は8個、O は3個で、エタノール由来の酸素はエステル中で炭素同士をつなぎます。

2. メタノールが少なく、1対1で反応するので理論生成量は 0.12 mol、酸の残量は 0.35 − 0.12 = 0.23 mol です。逆に酸の消費 0.12 mol と残量 0.23 mol を足すと最初の 0.35 mol に戻ります。メタノールの理論上の残量は0 molです。

3. 生成物の式は CH₃COOCH₂CH₂CH₃、分子式は C₅H₁₀O₂ です。モル質量 102 g/mol に 0.25 mol を掛けた 25.5 g が丸める前の理論質量で、答えは 26 g です。収率は 15.3/25.5・100 = 60% です。回収量を物質量に戻すと 0.15 mol で、理論量の0.60倍です。

4. 酸とアルコールは各 0.18 mol 減り、水は同量増えます。酸 0.32 mol、アルコール 0.12 mol、水 0.18 mol です。それぞれの残量に消費量を足すと初期量に戻り、いずれも負ではありません。

5. 水の質量まで生成物とみなすため、計算される収率は高くずれます。理論生成量は変わらず、分子の実測質量だけが増えるためです。混入量が不明なら、ずれの大きさは決められません。

手元に残す要点

酸の C=O とその炭素を残し、アルコール側の酸素をつなぎます。 水を含む式で原子数を左右比較します。 理論生成量は係数比と不足する反応物から求めます。 実際の生成量は平衡や回収の条件で変わります。

つまずきを見分けるには

構造式を書いたら、酸側の炭素を丸で囲み、生成物にも同じ数があるか確認します。次にアルコール側の酸素と炭素がどこにつながったかをたどります。式は合っていて量だけ間違える場合には、各反応物の量を係数で割った値と、実測量を使った収率の分母を見直します。

個別指導では、途中の式を隠さず、どの量が初期量、変化量、平衡時の量なのかを言葉で添えて確認できます。単位を mol から g に変える箇所ではモル質量を掛け、最後に与条件へ戻します。カルボニル炭素を残す一手が、構造と量の両方を支えます。