Q&A

第1部　第1章　第3節

Ｑ：

「HCl分子の間に水素結合は形成されないのですか？」

Ａ：

「HFの場合，Fの大きな電気陰性度が強い水素結合の原因となっています。HClの場合には，Cl原子の電気陰性度がFよりも小さいため，水素結合はHFの場合よりずっと弱いと予想されます。しかし，ClはX−H···Y型の水素結合のYとしての働きをすることが知られており，HClにおいてもごく弱い水素結合が生じていると考えるのが妥当でしょう。」

Ｑ：

「なぜ金属は光沢をもっているのですか？」

Ａ：

「金属には自由電子があり，光が当たるとその光をはじき出すと考えられています。その反射する光が金属光沢として認識されるのです。アルミニウムなどでは90％以上が反射されるといわれています。」

第1部　第3章　第2節

Ｑ：

「液体空気はどのようにつくるのですか？」

Ａ：

「熱が入ってこないように，断熱に工夫された容器に空気を入れ，加圧·冷却後，膨張させる(断熱膨張)と，空気の温度は初めよりも下がります。この操作を繰り返して冷却を重ね，液体空気とします。

　空気を構成する窒素や酸素の分子は，弱いながらも相互に引き合っています。膨張させるということは，この相互の引力に逆らって分子間を引き伸ばすことであり，そのためエネルギーを必要とします。このエネルギーに使用されただけの空気の温度が下がるのです。下図のようなリンデの液化装置が有名です。」

第2部　第1章　第1節

Ｑ：

「反応速度の定義は，単位時間あたりの『物質量』の変化量ですか，それとも『濃度』の変化量ですか？」

Ａ：

「基本的には，『単位時間あたりの物質量の変化量』ですが，体積一定の系における気相あるいは液相の均一反応を取り扱うときは，『濃度の変化量』が便利なのでよく使います。」

第2部　第1章　第2節

Ｑ：

「触媒反応のしくみのよい例を教えて下さい。」

Ａ：

「硫酸を触媒として，酢酸とメタノールから酢酸メチルを得るエステル化の反応機構を次に示します。」

第2部　第2章　第2節

Ｑ：

「平衡移動を説明するとき，濃度や圧力の変化に対してはKやK_pが一定に保たれるように移動すると説明できますが，温度の変化に対しては何かわかりやすい説明方法はないでしょうか？」

Ａ：

「N₂O₄＝2NO−57kJを例に考えてみます。エネルギ一図は以下の通りです。

つまり，N₂O₄ 2NOの系では，A，B2つのエネルギー状態が可能で，低温では安定なAの方に多く存在しています。温度を上げると(エネルギーを加えると)，Aにある分子はエネルギーを得てBに移るため，Bの割合が増します。この変化は，温度を上げたときその変化を和らげる吸熱反応への移動になっています。温度を下げたとき(エネルギーを奪われたとき)は，この逆になります。」

第3部　第1章　第1節

Ｑ：

「単糖類はどれもアルデヒド基があるので還元性があることはわかりますが，ケトン基しかもたないフルクトースが還元性を示すのはなぜですか？」

Ａ：

「フルクトースの鎖状構造をよく見ると，通常のケトン基と違って，カルボニル基の隣の炭素にヒドロキシ基がついているのがわかります。このヒドロキシ基が還元性を示すのです。銀鏡反応やフェーリング液の反応はどれも塩基性のもとで行われ，このような条件下では，隣にヒドロキシ基をもつケトンは次のように変化して，結局アルデヒド基をもっているのと同じことになります。」

Ｑ：

「セルロースには多数の-OH基があるのに水に溶けないのはなぜですか。また，アミロースと違ってセルロースが強い繊維になるのはなぜですか？」

Ａ：

「セルロース分子にはデンプン分子と同様に-OH基がたくさんあるので，水分子と水和できます。しかし，デンプンが熱湯に溶けてコロイド溶液になるのに，セルロースは熱湯によってコロイド溶液にならないのは，分子の大きさが違うからです。デンプンでも，アミロースはコロイド溶液になりますが，デンプン粒の外皮を形成しているアミロペクチンはコロイド溶液になりません。以下に示した分子量の値から，グルコースの単位構造の大きさを仮に0.2nmとして計算すると，アミロース分子1個の大きさがコロイド粒子(1〜10²nm)の範囲に入りますが，セルロースでは完全にコロイド粒子の大きさからはみ出してしまいます。

	分子量	グルコース単位数
アミロース	4×10^4〜6×10^5	250〜3750
アミロペクチン	2×10^5〜7×10^6	1250〜43750
セルロース	1×10^6〜1×10^8	6250〜62500

次に，セルロースが強い繊維になるのは，セルロースの構造から理解できます。すなわち，セルロースでは，分子間が水素結合によって強く引きつけられているため，分子が直線状になりやすくなっているからです。一方，アミロースでは，分子内での水素結合によるらせん構造をとっているため，強い繊維にはなり得ません。」

第3部　第1章　第2節

Ｑ：

「ビウレット反応がジペプチドで陰性なのは，分子中にペプチド結合が1つしか存在しないためといわれています。どうして末端のアミノ基はCu^2＋と配位結合しないのですか？」

Ａ：

「タンパク質やペプチド(トリペプチド以上のもの)の溶液を塩基性にし，ここへ希薄な銅(II)イオン水溶液を加えると，溶液が青紫から赤紫の特有な色を示します。これをビウレット反応とよびます。たとえば，テトラグリシンを用いたときに生じる銅(II)錯体Na₂[Cu(C₈H₁₀N₄O₅) ]·10H₂Oについては，X線構造解析が行われています。

　図1にはその陰イオン部分の構造を示しました。銅(II)イオンは平面正方形錯体になっています。テトラグリシンは全部で4つのプロトンを放出して配位しており，4つの窒素原子のすべてが銅(II)イオンと結合しています([CuN₄]錯体の生成)。この構造は溶液中においても保たれていると考えられています。同様にトリグリシンから生じる銅(II)錯体は図2に示す構造であると考えられています([CuN₃O]錯体の生成)。

　ビウレット反応の特有の色は脱プロトン化したポリペプチドが配位した平面正方形錯体の生成によるものです。ジペプチドのアミノ基も銅(II)イオンに配位可能ですが，トリペプチド以上のペプチドがとっている構造をつくることができず，ビウレット反応特有の発色をしないためと考えられます^＊。」

^＊日本化学会編，「教育現場からの化学Q＆A」，丸善，p.198〜199（2002）

第3部　第2章　第3節

Ｑ：

「天然染料の藍の合成法と藍染めの原理を教えて下さい。」

Ａ：

「染料として使用されていた天然の藍は，現在は合成品が主になっています。アルカリの存在下でo-ニトロベンズアルデヒドとアセトンが反応すると次式に従ってインジゴが生じます。

　インジゴは水，希酸，希アルカリには溶解しないので，そのままでは繊維を染めることはできません。そこで，これを還元してアルカリ可溶性の白藍(Indigo-white；Na塩)としたのちに繊維を浸し，その後，空気で酸化して再びインジゴにすると青くなります。これを利用して染色を行うわけです^＊。」

^＊日本化学界編，「化学を楽しくする5分間」，化学同人，p.124〜126(1991)

第3部　第3章　第1節

Ｑ：

「フェノール樹脂ができる反応は，単純な縮合重合ではなく，付加と縮合反応が繰り返し起こる反応であるということですが，反応の進み方を詳しく説明して下さい。」

Ａ：

「酸を触媒として用いる場合，ホルムアルデヒドは水溶液中でH^＋によって^＋CH₂OHになります。フェノールはo-位とp-位の反応性が高いので，^＋CH₂OHがフェノールのo-またはp-の位置で置換されることになります。

これを1つの反応式にまとめると，この反応はホルムアルデヒドへのフェノールの付加反応ということができます。

この化合物が次々とフェノールのo-位で縮合していきます。

　このようにして生じるノボラックは分子量が約1000ぐらいの中間物質です。

　以上のように，付加と縮合が繰り返されて高分子化合物が合成されるので，付加縮合ともいわれます。

　なお，塩基を触媒に用いた場合はフェノラートイオンが生じるので，o-位だけでなくp-位の反応性も高くなりレゾールが中間物質となります。」

第3部　第3章　第2節

Ｑ：

「天然ゴムがイソプレンの付加重合によって容易に合成できないのはなぜですか？」

Ａ：

「イソプレンを付加重合させると，シス形とトランス形のポリイソプレンの混合物が生じてしまうからです。一般に，天然の化合物では立体的に一方のもののみでできていますが，実験室で合成してみると，両方の可能性のものが混合物として得られることが多いものです。ゴムの場合，1955年になって，イソプレンをラジカル重合させるとグタペルカ(トランス-1，4-ポリイソプレン)ができ，チーグラー触媒を用いて重合させると天然ゴムと同じシス形重合体が合成できることが明らかになりました。」

第4部　第1章　第1節

Ｑ：

「化学調味料はL-グルタミン酸ナトリウムと表示してありますが，D-グルタミン酸ナトリウムはどんな味ですか？」

Ａ：

「グルタミン酸は酸性アミノ酸なので，L-グルタミン酸もD-グルタミン酸も，味は酸っぱいです。L-グルタミン酸ナトリウムは化学調味料の味で，D-グルタミン酸ナトリウムは旨味がないといわれています。一般にD型のα-アミノ酸は甘みがあるそうです。このように人間の舌は光学異性体を区別することができます。」

Ｑ：

「1つのタンパク質に一次構造，二次構造，三次構造，四次構造の4種類の構造があるのですか？」

Ａ：

「タンパク質をつくっているアミノ酸は約20種類あり，遺伝情報に従って決まった順にペプチド結合してペプチド鎖がつくられます。これが一次構造です。ペプチド鎖内で水素結合によりα