高等学校化学I/炭化水素/有機化合物/元素分析

炭化水素	有機化合物	鎖式炭化水素	環式炭化水素

	有機化合物とその構造	異性体	元素分析

有機化合物の構造を直接調べることは容易ではないが、その組成式を実験により推定することは比較的簡単である。組成と分子量が分かれば分子式を求めることができ、そこから化合物の構造を絞り込むことができる。

はじめに、ある化合物に含まれている元素の種類を推定する方法を紹介する。基本的に有機化合物は炭素と水素を主成分としてできているが、わずかに塩素原子や窒素原子などを含んでいるものもある。ある化合物にこのような特定の元素が含まれているかを実験で調べることができる。

検出方法

成分元素	操作	生成物	検出方法の例
炭素	方法1: 酸素中で、酸化銅などの酸化剤とともに熱して、酸化させる。方法2: 完全燃焼させる。	二酸化炭素 CO₂	石灰水に通すと白濁する。
水素	方法1: 酸素中で、酸化銅などの酸化剤とともに熱して、酸化させる。方法2: 完全燃焼させる。	水 H₂O	硫酸銅（II）無水物を青変させる。
窒素	水酸化ナトリウムをまぜて加熱	アンモニア NH₃	ガラス棒の先端に濃塩酸をつけて、近づけると、白煙を生じる。
硫黄	試料に水酸化ナトリウムをまぜて加熱したあと、水に溶かす。	硫化ナトリウム Na₂S	生成物の水溶液を、まず酢酸で酸性にして、さらに酢酸鉛（II）水溶液をくわえると、硫化鉛（II）の黒色沈殿ができる。
塩素	熱した銅線に触れさせる。	塩化銅（II） CuCl₂	その銅線を炎の中に入れて、銅の炎色反応（青緑色）が見られる。

水素・炭素の検出

試料を完全燃焼させると、炭素 C は二酸化炭素 CO₂ になり、水素 H は水 H₂O になる。燃焼により発生する気体を石灰水に通して白濁すれば、二酸化炭素が生じている。また、燃焼により発生する液体を塩化コバルト紙につけたとき、青色から淡赤色に変化すれば、水が生じている。

窒素の検出

試料に水酸化ナトリウム NaOH を加え加熱すると、窒素はアンモニア NH₃ となる。ガラス棒の先端に濃塩酸をつけてアンモニアに近づけるなどして、もし濃塩酸を近づけて塩酸が白煙をあげれば、窒素を生じている。この白煙は、塩化アンモニウムである。

塩素の検出

加熱した銅線の先に試料をつけ炎に入れる。すると、塩素は銅と反応して塩化銅(Ⅱ)のCuCl₂となり、Cu²⁺による青緑色の炎色反応が見られる。

硫黄の検出

まず、試料に水酸化ナトリウムを加え加熱したあと、水に溶かす。この溶液をまず酢酸で酸性にして、さらに酢酸鉛（II）水溶液をくわえたとき、もし硫黄が含まれていれば、硫化鉛（I）の黒色沈殿ができる。まず試料に水酸化ナトリウムを加え加熱すると、硫黄は硫化ナトリウムNa₂Sとなる。これは水溶液中で電離してS^2-となっており、加熱後の液体に酢酸鉛(Ⅱ)水溶液を加えて黒色の沈殿が生じれば、硫化鉛(Ⅱ)が生じている。

もしこの化合物が炭素と水素のみ、あるいはこれらと酸素の3種類で構成されていることが分かっていれば、次の実験により化合物の組成式を推定することができる。

実験方法

あらかじめ、2つの吸収管の質量を測定しておく。
試料を白金皿に載せ、乾いた酸素を吹き込みながらガスバーナーで加熱し燃焼させる。この際、酸化銅(Ⅱ)触媒も加熱する。これにより、不完全燃焼により生じたCOを酸化して完全にCO₂とすることができる。
試料は燃焼により二酸化炭素と水を発生する。水と二酸化炭素がそれぞれ2つの吸収管に吸収される。
燃焼が終了したら、2つの吸収管の質量を測定する。先に求めた質量との差が、吸収した二酸化炭素や水の質量である。

計算

炭素、水素、酸素の化合物である試料w [mg]の燃焼により水a [mg]と二酸化炭素b [mg]が生じたとする。このとき、発生した水の水素原子と二酸化炭素の炭素原子は、ともに試料に由来するものである。したがって、水に含まれる水素原子の質量と、二酸化炭素に含まれる炭素原子の質量は、試料に含まれていた水素原子と炭素原子の質量に等しい。原子量をH=1.0、C=12、O=16とすると、分子量がH₂O=18、CO₂=44であるから、

水素原子の質量w_H :

w_{H}=a\times {\frac {2}{18}}

[mg]

炭素原子の質量w_C :

w_{C}=b\times {\frac {12}{44}}

[mg]

となる。すると、試料の残りは酸素原子でできているので、

酸素原子の質量w_O :

w_{O}=w-(w_{H}+w_{C})

[mg]

となる。なお、水分子と二酸化炭素分子に含まれている酸素原子はすべて試料由来ではなく、吹き込んだ酸素が結合している分も含まれているので、水と二酸化炭素の質量から求めることはできない。

以上より、試料中の水素、炭素、酸素の質量を求めることができたため、元素の個数の比を求めることができる。元素1個あたりの質量の比は、原子量の比と等しく

C:H:O = 12:1.0:16

であるから、試料に含まれている各原子の個数の比は、

C:H:O =

{\frac {w_{C}}{12}}:{\frac {w_{H}}{1.0}}:{\frac {w_{O}}{16}}

で求められる。組成式は化合物中の原子の個数の比を表すものであるから、この比により組成式が求められる。

分子1個に含まれている各原子の実際の個数は、組成式の整数倍となるから、分子量が求められていれば、組成式の式量から現実の原子の個数を計算し、分子式を求めることができる。