無機物質と有機化合物

化学の「無機物質の性質」では、典型元素を、性質の似た同族元素ごとに整理して学びます。学習指導要領の解説は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、貴ガスを中心に扱うとしています。同じ族なら、反応のしかたもよく似ています。

アルカリ土類金属のカルシウムの化合物は、形を変えながら暮らしを支えています。石灰石(炭酸カルシウム)を強く熱すると、二酸化炭素が抜けて生石灰(酸化カルシウム)になります。生石灰に水を加えると、熱を出して消石灰(水酸化カルシウム)になります。消石灰は空気中の二酸化炭素を吸って、また炭酸カルシウムに戻ります。

お菓子やのりの袋に入っている石灰乾燥剤は、生石灰が水を吸う性質を利用したものです。水と反応するとかなり熱くなるので、乾燥剤をぬらしたり、子どもの手の届く所に置いたりしないでください。化学の知識は、こうした身近な注意書きの理由も教えてくれます。

石灰石は、日本国内で大量に採れる鉱物資源です。石灰石鉱業協会の資料によると、2021 年度の生産量は約 1 億 3,000 万 t で、3% あまりは台湾や韓国などへ輸出されています。セメントや鉄鋼、道路の材料などに使われ、国民 1 人あたりに直すと、年に約 1 t になります。

遷移元素は、周期表の真ん中に並ぶ金属の元素です。道具に使う鉄や、電線に使う銅のような身近な金属も、遷移元素の仲間です。学習指導要領は、クロム・マンガン・鉄・銅・亜鉛・銀を扱うと定めています。遷移元素のイオンや化合物には、硫酸銅(II) の青のように、色の付いたものが多いのが特徴です。

宝石のルビーとサファイアは、どちらも酸化アルミニウムの結晶(コランダム)です。米国宝石学会(GIA)によると、不純物のないコランダムは無色です。クロムがわずかに入ると赤いルビーに、鉄とチタンが入ると青いサファイアになります。鉄とチタンは、わずか百分の数 % で青い色を付けます。

クロムは、台所でも活躍しています。ステンレス協会によると、ステンレスは、鉄にクロムを約 10.5% 以上含ませた合金です。クロムが空気中の酸素と結びついて、表面に厚さ 1〜3 nm の薄い膜(不動態皮膜)をつくり、さびの進行を防ぎます。傷が付いても、膜はすぐに再生します。

よく使われる SUS304 は、クロム 18%、ニッケル 8% を含むので、「18-8 ステンレス」とも呼ばれます。スプーンや鍋に「18-8」と刻まれていることがあるのは、このためです。同じクロムが、宝石では色を、台所の道具ではさびにくさを生み出しています。

化学の最後の単元では、小さな分子(単量体)がたくさんつながった高分子化合物を学びます。ポリエチレンやナイロンのような合成高分子と、デンプンやセルロース、タンパク質のような天然高分子です。

ナイロンは、絹をめざして生まれました。アメリカの科学史研究所によると、デュポン社のカロザースのグループは、1934 年に繊維の研究を再開しました。そして、ほどなく優れたポリアミドの繊維を見つけます。ポリアミドは、タンパク質と同じアミド結合で単量体をつないだ、いわば合成のタンパク質です。1939 年に生産が始まり、絹の靴下に代わる製品として話題になりました。

ご飯のデンプンと、紙や綿のセルロースは、どちらもブドウ糖(グルコース)がたくさんつながった高分子です。違うのは、ブドウ糖どうしのつながり方です。デンプンはらせん状に巻いた形になり、私たちの消化酵素で分解できます。セルロースはまっすぐな鎖が束になった丈夫な繊維で、人は消化できません。

絹もタンパク質でできた天然の繊維です。カロザースたちは、天然の高分子のつくりを手本に、それを人の手で組み立てる道を開きました。何を単量体にして、どうつなぐかを変えれば、硬さや伸び、水との相性まで設計できます。高分子化学は、天然に学び、新しい性質を加えていく学問です。