今日の分子No.74 ：エチドロン酸

数日前貰った石鹸の原材料名の欄に「エチドロン酸4Na」と言う物質が書かれていました。

聞いたことがあるようなないような物質。

ちょっと調べてみました。



今日の分子 No.74　エチドロン酸 CH₃C(PO₃H₂)₂OH

ChemSketchで作図、Jmolで描画

系統名；1-ヒドロキシエタン-1,1-ジイルジホスホン酸。

エタノールにリン酸（正確にはホスホン酸）がくっ付いた形をしている。

いわゆるキレート剤^※で、金属イオンを挟み込む形で安定な錯体を作り、封鎖・隠ぺいする。

上の画像からわかるように、電離するとリン酸イオンユニットとヒドロキシ基の孤立電子対がUFOキャッチャーの爪のごとく金属イオンを抱きかかえるのであろう。


※ キレート錯体、キレート剤とは？

多配座配位子（例えば多価の酸等）で、配位点がある距離離れている化合物はUFOキャッチャーのごとく金属イオンにまとわりつき包み込むように錯体を作る。

このような錯体をキレート錯体といい、そのような作用をする配位子をキレート剤という。

金属イオンにちょうどフィットするように配位点の距離があり、多配座なものがこの作用が大きい。

キレート錯体はとても安定で、金属イオンは一度キレート剤につかまったら最後、金属イオンがそこに存在しないかの如く不活性化してしまう。（；隠ぺい）


○ エチドロン酸4Na

よく原材料名に「リン酸2Na」等、「○○酸□【金属】」という書き方をしている物質がある。

これは、例えばリン酸2NaならNa₂HPO₄のことであり、要するにその多価の酸のH⁺がいくつ分金属イオンに置き換わっているかを表す書き方である。

だからエチドロン酸4NaならCH₃C(PO₃Na₂)₂OHであり、全てのHがNaで置き換わった塩を表している。

エチドロン酸4Naは石鹸によく配合されているらしい。

配合している理由は、製造過程でどうしても石鹸に入ってしまう金属イオンをエチドロン酸イオンを加えて安定なキレート錯体にしてしまうことで金属イオンを封鎖するためらしいです。

金属イオンはそのまま石鹸に入ったままにしておくと、長期間保存したときに石鹸の劣化の原因になってしまうらしい。

だから、エチドロン酸のキレートの中に閉じ込めてしまうことでそれを防いでいる、ということらしいです。

同じようなキレート剤の役割をする物質として、エデト酸（もしくはEDTA；エチレンジアミンテトラ酢酸）という物質があります。

大抵の石鹸やシャンプーの原材料名に「エデト酸塩」や「EDTA-4Na」とかそういう感じで書いて配合されていると思います。

チェックしてみましょう。


○ エチドロン酸2Na

エチドロン酸二水素ナトリウムCH₃C(PO₃HNa)₂OHのこと。

こっちは医薬品です。

吸湿性で水に易溶、エタノールにほどんど溶けない白色の粉末。

骨粗鬆症等の骨の病気の薬に使われるそうです。

リン酸系のイオンはカルシウムイオンと強く結び付くので、これを飲むことで骨の代謝を抑制することができるらしい。

具体的には、ヒドロキシアパタイト（骨の主成分のカルシウム塩）との親和性が大きく、ヒドロキシアパタイトの結晶が形成される過程を抑制したりするらしい。


以上のように、あまり聞き慣れない物質ですが我々の生活に関係する重要な機能物質なのでした。

このように身の回りの製品の原材料欄を読むとたくさんの「働く分子」に出会えます。

彼らは縁の下の力持ち、庶民に名が知られぬとも我々の生活を陰で支えるヒーローなのです。

一度色々な製品の原材料欄を読んで、色んな物質について調べてみましょう。



◎ 参考

• 『松山油脂株式会社HP；Q&A』



• 『大日本住友製薬株式会社；エチドロン酸二ナトリウム錠pdf』

臨界ミセル濃度とは？―洗剤はケチってはいけない！―

最近界面活性剤の話をよく耳にしたので、ここでちょっとミセルに関するマメ知識を紹介してみます。

今回のキーワードの「臨界ミセル濃度」の概念を知っておくと、生活の中で役に立つかもしれません。


◎ 予備知識

まず用語確認をしましょう。

※ 「臨界ミセル濃度」は高校化学では習わないので覚えなくてもいいですが、最後に述べるようにこれを知っておくと生活の中で役に立つこともあります。


○ ミセル

セッケン分子等の界面活性剤分子が溶液中で数十～数百分子程集まって作る球状の分子集合体をミセルと言う。

例えば水中でセッケンがミセルを作ると、内側が疎水性、外側が親水性になり水に分散（溶解とは少し異なる）している状態になる。

※ ミセルはある程度大きな粒子なのでコロイド粒子としてふるまう。

界面活性剤は手を加えなくても自発的に秩序立った集合体を作りますが、この様な現象を「自己組織化」と言います。



○ 臨界ミセル濃度（critical micelle concentration:CMC）

界面活性剤を水に溶かしたとしても、実際は界面活性剤がある濃度以上でないとミセルを形成しない。

ミセルを作るか作らないかのギリギリの濃度を臨界ミセル濃度と言い、界面活性剤の種類で変わる。



◎ 「なぜ臨界ミセル濃度以上でないとミセルは形成されないのか」

さて、気になるのは「なぜ臨界ミセル濃度以上でないとミセルは形成されないのか」ということである。

界面活性剤分子がミセルを作るドライビングフォース（界面活性剤にミセルを作らせる要因）を考えて、説明しましょう。


まず、単純な直鎖アルカン（もちろん疎水性）をただの水に添加していくことを考えます。

アルカンは「油」なので水にはなじみませんが、そんな物質でもほんの少しは溶けます。

すると下のグラフのように、＜横軸＞アルカンを添加していくと ＜縦軸＞水中に溶けているアルカンの単分子数は途中まで増えていきますが、溶解度（溶解限界）以上になると溶けきれなくなって、それ以上添加しても溶けている分子数は変わらなくなるでしょう。

※ 「単分子数」と言っているのは、後に示す界面活性剤の場合と軸を合わせるためです。アルカンは水中でミセルを作らないので、「単分子数=分子数」です。

アルカンを水に添加したとき。

じゃあ溶けきれなくなったアルカンはどこへ行ったかというと、相分離（いわゆる二相分離）して水の上に浮いてしまっているでしょう。

量との関係は下の図のように示されるでしょう。

水にアルカンを溶解限界以上添加した分は相分離する。

ここまでは簡単ですね。

溶けきれなくなったら分離する、それだけです。


では次に界面活性剤を水に添加して行く場合を考えます。

結論を言うと、下図のようにアルカンの場合と同じグラフになります。

界面活性剤を水に添加したとき。

ただし溶解限界が臨界ミセル濃度に置き換わっています。

さて、一体何がどうなったのでしょうか。

界面活性剤分子だって、まずは普通に溶けます。

1分子1分子バラバラで溶けます。

しかしモノには溶解度というものがあって、界面活性剤だってある濃度以上では相分離を起こさざるをえません。

だから途中で水溶液中の単分子の増加はなくなります。

がしかし！

界面活性剤はミセルを作ることにより、アルカンの場合のように塊りになって分離しなくても済みます。

逆にいえば、ミセルを作ってもミセルの内側と外側で確かに相分離は起こっているわけです。

アルカンの場合と同じで、相分離を起こすか否かの限界である「溶解度」があるわけですが、ここで相分離の結果としてミセルを形成するわけです。

いわゆる二相分離とは違う形の分離なので、ミセルを作る場合のこの相分離を起こすか否かの限界を「臨界ミセル濃度」というのです。

水に界面活性剤を臨界ミセル濃度以上添加した分はミセルという形で相分離する。

以上のように、相分離を起こさないとミセルを形成できない（形成する必要がない；形成する気がない；凝集するのは熱的に不利）ので、ある十分な濃度「臨界ミセル濃度」以上でないとミセルの形成は起こらないのです。

しかし「洗浄」「乳化」等の日ごろの界面活性剤のお仕事は、ミセルを形成していないと起こらない現象です。

だから臨界ミセル濃度以上でないと、界面活性剤はいわゆる界面活性剤としての役目は果たせない。

例えば、家計を気にして洗剤の量を半分とかにケチる方がいますが、

それが臨界ミセル濃度以下の量ならその洗剤は洗剤としての仕事を全くせず、節約どころかむしろ洗剤を捨てているだけ

ということになります。

臨界ミセル濃度の概念がわかっている人は、洗剤のパッケージに書かれている使用量をちゃんと守って使ってくれるはずです。


◎ 参考

• 筆者の大学の先生の有難いお話。

「温度1℃と1K」は違うけれど、「温度差1℃と1K」は同じ!

今日塾でアルバイトをしていると、セルシウス温度と絶対温度の取り扱いでわけがわからなくなっている方がいました。

確かに「温度」と「温度差」はややこしいので、ちょっと今回はそれを取り上げてみましょう。


「温度」と一口に行っても、「セルシウス温度（単位℃）」と「絶対温度（単位K）」の二種類あります。

セルシウス温度は「今日の気温は5℃で寒い」とかのいつもの温度です。

一方絶対温度とは、それより寒くはならない限界の温度「絶対零度」である-273℃を0K（K；ケルビンと読む）と決めた物理学的な温度です。

だから同じ「温度」でもセルシウス温度と絶対温度は別の単位を持つ別物です。

しかし「温度差1℃」と「温度差1K」は等しいため

・ -273℃ = 0K

・ 0℃ = 273K

になります。

さて、早くも「温度」と「温度差」で頭がこんがらがってきました。

両者の違いをよく考えて、「温度差1℃と温度差1Kは等しい」とはどういうことか考えてみましょう。


◎ 「温度」とは。

温度とはいわゆる「熱いか冷たいか」を表す量で、物理学的には物質の構成粒子の運動の激しさに対応します。

とりあえず物理学的意味に関してはこのくらいにして置いておいて、「温度差」というものに対して言うと次のようになります。

「温度」とは温度計の針（もしくは温度計の液の上端）が示している数字である。

「温度は5℃だ。」

なんの難しさも無い。

いつもの通りの温度。

さて、「℃」の単位を持つ温度計は上のようになっていてよく知っていますが、「K」の単位を持つ温度計は見たことがないと思います。

もし「℃」の単位を持つ温度計と「K」の単位をもつ温度計を並べたら次のようになります。

「温度は1℃=274Kだ。」

セルシウス温度tと絶対温度Tの間には

T = t + 273

という関係が成り立ちます。
（-273℃ = 0K だから。）

だからもし25℃の部屋で「℃温度計」と「K温度計」を並べると上の図のようになるでしょう。

両者の違いは、単に数字が273ずれているだけです。

以上が温度1℃と温度1Kは、数値が273だけずれていて違うということです。


◎ 「温度差」とは。

温度差とはいわゆる「今日は昨日より2℃温かい」（温度差が2℃だ）等と言う使い方をする量です。

すなわち、或る温度と或る温度の差を表しています。

さて、「温度1℃と温度1K」は上記のとおり違いますが、実は「温度差1℃と温度差1K」は同じです。

なぜか。

それは「℃温度計」と「K温度計」を並べた下図を見るとわかるように、セルシウス温度と絶対温度は一目盛りの間隔が等しいからです。

「℃温度計」と「K温度計」は一目盛りの間隔が等しい。

ゆえに「温度差」を表す時は単位℃と単位Kは同じです。

要するに「今日は昨日より2℃温かい」と「今日は昨日より2K温かい」は同じ意味です。


※ もちろん温度を表すときは℃とKは違うので、「今日の気温は25℃だ。」と言うのと「今日の気温は25 Kだ。」と言うのは全く異なります。

「今日の気温は25℃だ。」=「今日の気温は298Kだ。」が正しいです。


さて、「℃」と「K」の単位入れ替えの本題に入っていきます。

例えば水の比熱（1gの物質を1℃上げるために必要なエネルギー）は

（水の比熱）= 4.2 J/(g・℃)

ですが、この「℃」は「温度差」を表しているので「K」と同じなので

（水の比熱）= 4.2 J/(g・K)

と、℃をKに入れ替えても同じです。
（「1℃温める」というのと「1K温める」は同じだからです。）


一方、温度T[K]の時に気体分子が持つエネルギーは、ボルツマン定数kを使うと

（気体分子が持つエネルギー） = 3/2 kT

です。

しかしこの絶対温度T[K]は「温度」なのでセルシウス温度t[℃]とは違います。

だから

× （気体分子が持つエネルギー） = 3/2 kt

です。

セルシウス温度t[℃]で書きなおしたければ

○ （気体分子が持つエネルギー） = 3/2 k(t+273)

となります。


以上のように、℃やKの温度は温度でも「温度」か「温度差」かきちんと区別して考えないとめちゃくちゃになります。

気をつけましょう。

今日の分子No.73 ：イブプロフェン

風邪をひきました。

しかしこうやってパソコンに向かっていられるのも、風邪薬の解熱鎮痛剤のおかげ。

今日はさっき飲んだお薬分子を紹介します。


今日の分子No.73 ：イブプロフェン C₆H₄(C₄H₉)CH(CH₃)COOH

ChemSketchで作図、Jmolで描画

非ステロイド性の消炎、鎮静、解熱剤。

今風邪薬としてよく使われている解熱鎮痛剤である。

代表的な解熱鎮痛剤としてアスピリン（→『今日の分子No.57 ：アセチルサリチル酸』）があるが、イブプロフェンはアスピリンの16～32倍の作用があるらしい。

アスピリンやインドメタシン、イブプロフェン等の非ステロイド系抗炎剤は、アラキドン酸からプロスタグランジンを生成する段階の酵素シクロオキシゲナーゼを阻害することにより作用を発現する。


◎ 合成法

イブプロフェンは半世紀以上前から合成されているが、最近（と言っても20年前だが）その合成法が大きく改善された化合物である。

1960年にイギリスのBoots社が開発した「Boots社合成法」は以下に示すように六段階反応で副生物が多く、原子利用効率はたった40%だった。（すなわち原料原子の60%が副生物として捨てられていたということである。）

Boots社合成法によるイブプロフェン合成反応

一方、1991年にBHC社が開発した「BHC法」によるイブプロフェン合成反応は、上手に触媒を使うことにより反応段階を3段階に減らし、原子利用効率を77%にまで上げている。

BHC法によるイブプロフェン合成反応

しかもHF、Raneyニッケル触媒、Pd触媒は回収され、再利用される。
（※ Raneyニッケル；スポンジ状のNi。水素化触媒。）

このようにして製造時間の短縮化、製造コストの低減化を達成できた。

今は触媒を使って少数段階で合成し、できるだけゴミを出さない環境配慮とコスト削減の反応が求められている。

BHC法はその良い例である。


合成できれば何でもいい、と言うわけではない。

原子利用効率の向上、触媒反応を利用した少数段階、危険な試薬を用いないプロセス、等を目指す合成化学を「グリーンケミストリー」と言う。

また既存の反応でもこの様に環境調和型の反応にすることを「グリーン化」と言い、例えば「BHC法でイブプロフェン合成はグリーン化ができた」等と言う。

環境環境と言うが、結局それによってコスト削減もできるため、新たな合成法の開発と言うものも合成化学としては重要なのである。


◎ 参考

• 『新しい工業化学―環境との調和をめざして』足立 吟也 , 馬場 章夫, 岩倉 千秋 , 化学同人



• 『パソコンで見る動く分子辞典』本間善夫, 川端潤著

10^(-8) mol/L塩酸のpHは8？

10^-8mol/L塩酸のpHは8？


HCl → H⁺ + Cl^-

塩酸はどんな濃度でもほぼ完全電離するから、

[H⁺] = (塩酸濃度) ・・・・(A)

かつ pH = -Log[H⁺] なので、

様々な濃度に対する塩酸のpHは

・ 1×10^-1mol/L → pH 1

・ 1×10^-2mol/L → pH 2

・ 1×10^-3mol/L → pH 3

・ 1×10^-7mol/L → pH 7 (?)

・ 1×10^-8mol/L → pH 8 (?)


・・・と誤答してしまう方が多い。

しかしよくよく考えると

酸を加えたのに溶液が中性とか、ましてや塩基性になるはずがない

のです。

もちろん溶液はpH7で中性、pH7より大きかったら塩基性。

でも、その常識がわかっていても一体どう計算したら正しいpHが求まるのか、案外難しい。

今回は1×10^-8mol/Lの塩酸のpHがちゃんと酸性になる、正しいpHの計算法を紹介します。


◎ 見落としているのは・・・水の電離！

さて、上の計算でどこに問題があったのか。

答えを言うと、式(A)のH⁺濃度です。

結論を言うと、塩酸が高濃度の時は溶液中のH⁺はHClが出したものばかりだから式(A)で良い。

だから1×10^-1～1×10^-3のpHはこの計算で良い。

が、式(A)は実際は不十分である。

水溶液中でH⁺を出すのはHClだけではない、H₂Oも電離してH⁺を出す。

H₂O → H⁺ + OH^-

だから

[H⁺] = (HClが出したH⁺) + (H₂Oが出したH⁺) ・・・・(A')

である。

ここでもちろん塩酸はどんな濃度でもほぼ完全電離するから、

(HClが出したH⁺) = （塩酸濃度） ・・・・(B)

はその通りである。

もしも塩酸濃度が高ければ(A')式の第一項が第二項より大きくなるので

[H⁺] ≒（塩酸濃度）　・・・・(A)

となって(A)に一致するわけである。


さて問題は塩酸濃度が低くて式(A')を計算しなければならない場合である。

そこでは水が出すH⁺の量はどれくらいかということを知る必要がある。

ここで水溶液中では次の関係が必ず成り立つことを知っておく必要がある。

Kw = [H⁺][OH^-]　・・・・(C)

Kwは水のイオン積と呼ばれ常温ではKw = 1×10^-14 mol²/L²という定数である。
（水の電離の化学平衡に由来する。）

この関係式を知っていればもう大丈夫。

ここで

・ （HClが出したH⁺濃度）=（塩酸濃度）= C

・ （H₂Oが出したH⁺濃度）= W

とおくと

・ [H⁺] = C + W

・ [OH^-] = W
（∵H₂OがH⁺を生じた分だけOH^-が生じるから。）

であるので、(C)式に代入すると

Kw = (C+W)W

というWに関する二次方程式となる。

Kwは既知の定数、Cは既知であり、水の出したH⁺の量が知りたいわけだからこれをWについて解くと

W = {-C+√(C²+4Kw)}/2 ・・・・(D)

となる。

したがって

[H⁺] = C + W = C + {-C+√(C²+4Kw)}/2 = {C+√(C²+4Kw)}/2

となり、塩酸濃度Cに対する[H⁺]が求まった！


以上より、

・・・・・・・(E)　　　　

という関係がわかった。

さっそくこれに

・ 塩酸濃度 C = 1×10^-8 mol/L

・ Kw = 1×10^-14 mol²/L²

を代入すると

[H⁺] = 1.05×10^-7 mol/L

すなわち

pH = 6.98 ；ギリギリ酸性

となり

1×10^-8 mol/L塩酸　→ pH 6.98

と妥当な値がわかった！！！


同様に様々な塩酸濃度について(E)式で計算してみると

塩酸濃度 (mol/L)	pH
1×100	0
1×10-1	1
1×10-2	2
1×10-3	3
1×10-4	4
1×10-5	5
1×10-6	5.996
1×10-6.5	6.46
1×10-7	6.98
1×10-8	6.98
1×10-9	6.998
0	7

となる。

すなわち塩酸濃度を薄くしていくと限りなくpH7；中性に近づいていくという結論である。

これは常識のとおりである。

また、塩酸濃度0、すなわちただの水はpH7となり、これも一般常識と一致している。

さらに表より、式(A)すなわち塩酸濃度が濃いときの近似

[H⁺] ≒ (塩酸濃度) ・・・・(A)

が成り立つのは1×10^-6.5 mol/L = 3.2×10^-7 mol/L くらいが限界であるとわかる。

この表をグラフにすると（ただし横軸は-Log C）

となり、塩酸濃度が濃いところでは直線になり(A)式の近似が成り立つが、 C=1×10^-6.5 付近で成り立たなくなって、それ以上薄くしてもpHは7に近づいて行くだけだとよくわかる。


以上のように、水の電離を考慮することで強酸濃度が希薄な時の、強酸濃度とpHの関係を計算することができる。

ちなみに、弱酸の時は電離度が1ではなく濃度に関係するのでもう少し複雑になる。