電源装置完成！

3週間程前から地道に作っていた電源装置が完成しました！！

電子工作は楽しい。

筆者手製の電源装置：豆電球に送電

・出力；DC 0.1V～30V

・入力；家庭用コンセント（商用AC100V, 50～60Hz）

コンデンサやトランス、三端子レギュレータ、ダイオード等などを買ってきてハンダ付け。

実際は外箱の作成に主に大部分の時間を取られていましたが。

最初はプラスチックのスケルトンを予定していたのですが、強度の関係で試行錯誤の末アルミ製に変更。

アルミはプラスチックや木より穴あけに技術（主に工具）が必要ですが、粘り気が強くて多少乱暴にドリルかけても割れないのでむしろ楽だったかも。

結局なかなかの見栄えの物ができたから満足です。

少なくとも中学校の理科の実験で電源装置を使った記憶がある大部分の人は、これが電源装置だとわかるでしょう。


以下謎の写真集。

正面

電流計、電圧計、出力端子（赤；+、黒：-）、出力ボリューム（可変抵抗）、スイッチ（トグル）、パイロットランプ（アンバー色LED）、ヒューズが取りつけられています。

背面

家庭用コンセントにつなぐためのプラグが伸びています。

底面

ゴム製の足が付いています。

ねじ止めがたくさんあるのは中の基盤やトランスを留めるため。

内部

このアルミ箱は側面と上面の三面がガバっと取れる構造になっています。

真ん中のどでかいのがトランス（変圧器；二つのコイルが向い合せになったもの）です。

100Vを変圧するとなるとかなり結構大きなトランスが必要になってきます。

右上にあるのが三端子レギュレータ（整流素子の1つ）ですが、整流時の余分な電気エネルギーをジュール熱として放出するのでヒートシンク（放熱板）を装備する必要があります。

あんまり見えないけど左上がコンセントにつながる線ですが、引っ張った時に抜けないようにPET製のベルトで抜け止めしています。
（そのさらに左にある黒いのはコンデンサ。）

左にあるのがメインの基板。

全体的にリード線がスパゲッティ状態で雑、ハンダ付けも下手になってしまったのを反省。
（今まで片ラグ板（地面と垂直に立てる基板）を使ったことがなかったから要領がね・・・）

しかし箱を閉じれば綺麗に見える！！（←こういう考え方は良くない。）


さて、なぜ電源装置を作ったかと言うと、

(1) 分子模型用の発泡スチロール球を切るための電熱線カッターの電源にする。

(2) 電気分解して楽しむ。

(3) 色々な水溶液や素子（ダイオード、LED、FET等）の電圧-電流特性を測定する。

と言うことです。


分子模型を作るために電源装置から作ったと言うと滑稽に聞こえますが、いやこれがなかなか重要。

電熱線カッターは電熱線に電気を流してジュール熱を発生させる装置ですが、すなわち抵抗が小さくて大きな電流が流れるので消費電力大。

乾電池で駆動させるとすぐ電池切れしてしまいます。

あと、乾電池では1.5Vの倍数しか電圧がかけられないので、望みの電圧がかけられなかったり・・・・

しかしもうこれで問題ない！！

それと中学生のころに理科で分子模型を作った時はあの重くて高価な電源装置を使っていたので、そのイメージからぜひ電源装置を使いたいと思っていまして。


電気分解に関しては、これも電圧可変な装置がないと無理。

試しに炭素電極（鉛筆の芯）で食塩水を電解してみましたが、嗚呼想定通り陽極から塩素臭・・・
（危険なので真似せぬこと！）

◎ 食塩水の電解

陽極； 2Cl^- → Cl₂↑ + 2e^-

陰極； 2H₂O + 2e^- → H₂↑ + 2OH^-


電流-電圧特性の測定に関して、とりあえず電源装置の性能（表示電圧／電流）の確認がてら抵抗器とLEDで試してみました。

抵抗器のI-V特性（電圧計のブランクとして0.5V引いている）

電圧Vが電流Iに綺麗に直線関係になっています。

オームの法則です。抵抗をRとすると

V = RI

測定点に対し「最小二乗法」という統計学的手法で近似直線を引くと、上の式よりその直線の傾きが抵抗になります。

すなわちこの測定結果からは

R = 33.0Ω

となります。

一方、この抵抗器に印字されている抵抗は・・・

あれ？古くて第二帯が茶色か橙か判別できない・・・

「橙橙黒金」（＝33Ω）か「橙茶黒金」（＝30Ω）です。

前者ならばっちり合っていることになります。

どちらにせよ、電源装置の表示電圧／電流はおかしくはないようです。

しかし近似直線に少なからぬ値の切片があることからわかるように、あくまで目安であり厳密な測定には向かなさそうです。

LEDのV-I特性（電圧計のブランクとして0.5V引いている）
※ 抵抗のグラフとは軸が反対であることに注意

アンバー色（琥珀色）のLED（Light Emitting Diode；発光ダイオード）の電圧-電流特性。

最初は電圧をかけても電流が流れず、閾値2Vを超えると一気に電流が流れだす（&光る）。

理論通りのとても奇麗な結果にちょっと感動。

LEDは半導体をpn接合して作られた無機電解発光素子。

半導体ではオームの法則は成り立たない。
（ちなみに電解質水溶液でも成り立たない；オームの法則はある電子が自由に動ける理想的な条件下でのみ有効。）

アンバー色なのでAlInGaP系材料が使われているのでしょうか。
（たぶんAsは使われていないでしょう。）

組成は

Al_xIn_yGa_1-x-yP

となります。

Al、Ga、Inは13族で三価、Pは15族で3価なのでAlInGaのモル数の合計とPのモル数は等しい。

材料の組成を変える（xとyを変える）ことである範囲で自由にLEDの発光色を変えることができます。

このように複数の元素を混合して（バンドギャップを調整して）作られた半導体材料をテーラードマテリアルと言います。


ちなみに筆者の十八番は有機半導体素子。

化学（有機化学・無機化学・有機金属化学・物理化学）と物理（電気）が組み合わさった領域。

化学だけではなく電気も好き。

「メイン + サブ」の学問の合成でより発展的で面白い学問領域が開拓されます。

そういうのが頭を使って面白い。


ああ、あともう1つLEDで面白いことがわかりました。

LEDは20Vくらい電圧をかけると爆発する。

無茶なことはやめましょう。


◎ 参考

・ 『電子工作大図鑑』伊藤尚未著, 誠文堂新光社(2006)

↑これは電子工作の入門書としてかなり素晴らしいオススメの本です。

電源装置の作り方も載ってます。

大きくて分厚くて2000円足らず。

抵抗の読み方から基板回路の作り方、テスターの使い方やドリルの改造法まで載ってるバイブル。

今日の分子No.71 ：塩化水素

さて、今日は憎き塩化水素を紹介します。

先週塩酸の蒸気を吸ってしまって大ダメージを喰らわされた筆者です。

今日の実験で筆者の隣で濃塩酸使ってるヤツがいて、あの塩酸臭がしたとき思わず過剰反応してしまいました。

塩酸、塩化水素は危険な試薬です。



今日の分子No.71 ：塩化水素 HCl

塩化水素。WinMOPACで計算・描画

無色で刺激臭のある気体。

腐食性があり有毒。

工業的に重要な物質。

極めて水溶性の大きな気体であり、その水溶液は「塩酸」と呼ばれる。


○ 塩化水素の水溶液

塩化水素は水溶液中で電離して水素イオンを生じる酸である。

このときほぼ完全電離し、極めて強い酸である。
（2011/11/13記事『濃塩酸（12mol／L）のpHは「-1」！！』も参照。）

HCl → H⁺ + Cl^-


また、塩酸は揮発性の酸である。
（揮発して生じるのは塩化水素HCl）

一方硫酸は不揮発性の酸なので、食塩に硫酸を加えて加熱すると塩化水素が追い出される反応が起こる。

NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl


あくまで「HClという分子式を持つ物質」が「塩化水素」（hydrochloride）であり、「HClの水溶液」が「塩酸」(hydrochloric acid)である。

混同しないように。

しかし塩化水素のことを「塩酸ガス」と呼んだり、工業的には塩化水素は水に溶かして塩酸として出荷されることが多いので「塩化水素の製造 = 塩酸の製造」と同一視されたり、慣用的には塩化水素と塩酸があまり区別なく呼ばれていることも多い。


また、同様の構造を持つハロゲン化水素の水溶液（ハロゲン化水素酸）は

・フッ化水素HF ： フッ化水素酸

・塩化水素HCl ： 塩酸

・臭化水素HBr ： 臭化水素酸

・ヨウ化水素HI ： ヨウ化水素酸

である。
（HF→HIと周期が下がるほど酸性が強くなることも覚えておこう。これは周期が下がるほど原子半径が大きくなることによる。）

塩酸も本来は「塩化水素酸」（hydrochloric acid）と呼ばれるべきであるが、日本語では慣用的に塩酸と呼ばれる。

※ 元素名に「酸」を付けて名付けられた物質は、基本的にオキソ酸（酸化物の酸）である。
例：ホウ酸B(OH)₃、炭酸H₂CO₃、マンガン酸H₂MnO₄、等。


○ 塩化水素の反応

イオン化傾向が水素より大きな金属と反応し、様々な金属塩化物を生じる。

Zn + 2HCl → H₂ + ZnCl₂

また、塩基と反応しても塩化物を生じる。＜＜中和反応＞＞

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

特にアンモニアNH₃とは気相でも（水がなくても）直接中和反応をし、塩化アンモニウムNH₄Clの白煙を生じる。

NH₃ + HCl → NH₄Cl

アルカンやアルケンに対して付加反応をすることができる。

CH₂=CH₂ + HCl → CH₃CH₂Cl

塩化水素は反応性が高く、他にも様々な反応をする。


○ 塩化水素の工業的製法

塩化水素の工業的製法はいくつかあり、塩化水素を直接的に合成する方法（直接合成法；電解ソーダ法）と、副生する塩化水素を回収する方法（ルブラン-ソーダ法、副生塩酸）がある。

現在は副生塩酸が主流で、2000年度では2,493,604トン（35%換算）の内合成塩酸751,561トン、副生塩酸1,742,043トンであることから明らかである。

生じた塩化水素を水に吸収させ低濃度の塩酸とし、それを濃縮することで濃塩酸として出荷する。
（※ ガス吸収で濃塩酸を作ることはできない。なぜなら濃度20%ほどで急激に蒸気圧増大するからである。）


・ 直接合成法；電解ソーダ法

水素H₂と塩素Cl₂を反応させて塩化水素を直接合成する方法を（塩化水素の）直接合成法と言う。

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

※ この反応では水素を10%程過剰にして行う。
1:1で完全に反応するが、そうすると爆発する危険性があるためである。
（水素：塩素=1:1の混合気体を「塩素爆鳴気」と言う。）

この水素と塩素は食塩水の電気分解（電解ソーダ法）によって供給する方法が多い。

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂


・ ルブラン-ソーダ法（現在は使われていない）

古典的な炭酸ナトリウム製造法であるルブラン-ソーダ法では第一段階目で塩化水素が生じる。

1) 2NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2HCl

2) Na₂SO₄ + 2C + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS + 2CO₂

かつてはこの塩化水素を回収して塩酸を製造していた。

しかしルブラン-ソーダ法は今はアンモニアソーダ法（ソルベー法）もしくは塩安法に取って代わられていて、使われていない。


・ 副生塩酸

有機合成化学工業において、有機化合物に塩素を反応させて塩素化（塩素置換）するとHClが生じる。

これを捨てるのはモッタイナイので、分離回収して得る。

例えば塩化ビニルの製造（EDC法）では、塩化鉄(III)触媒下80℃でエチレンに塩素を反応させて1,2-ジクロロエタンとし、それを熱分解して塩化ビニルとするとき塩化水素が脱離する。

CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl → CH₂=CHCl + HCl

※ 最近はこの副生したHClをエチレンに酸化・付加反応させて再利用し、実質副生しないようにする方法（オキシ塩素化法）が用いられたりする。


他にも、ホスゲンCOCl₂を使ったイソシアナート（ポリウレタンの材料）の合成時等にHClが副生する。

R(NH₂)₂ + 2COCl₂ → R(NHCOCl)₂ + 2HCl

R(NHCOCl)₂ → R(NCO)₂ + 2HCl

※ R = C₆H₃(CH₃)

今はこの手の反応による副生塩酸が多いらしい。


◎ 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

祝！3万ヒット！

なんと2ヶ月ちょっとで1万人このサイトに来ていただき、3万HITを突破しました！

有難う御座います。


しかも昨日の来サイト者数は246名で、今までの最高記録182名を大幅に上回る結果となりました。

このサイトも少し大きくなってきたでしょうか。


これからも精進いたします。。。



＜予告＞

次回記事では憎きコイツを紹介する予定です。

憎きHCl。WinMOPACで計算・描画

今日（日付変わってるから厳密には昨日だけど）、アルバイト先の塾で生徒に「硫酸は不揮発性？塩酸は揮発性？」と聞かれました。

ふふふ・・・一度塩酸を焚いてみて、塩化水素の揮発性を体感してみればよくわかりますぜ・・・
（真似るな危険！！）

濃塩酸（12mol/L）のpHは「-1」！！

さて、先週塩酸の蒸気をもろに吸い込んで地獄を見た筆者です。

塩化水素HClが高濃度で溶けた水溶液を煮沸していました。

もくもくと上がる塩酸の湯気、これはヤバイです、吸わないように本当に注意しましょう！！

塩化水素HClの構造。「塩化水素」はコイツの物質名、「塩酸」はコイツの水溶液の呼び名。
WinMOPACで計算・描画

さて、具体的に濃塩酸とはどれくらい危険なのでしょうか？

一般的なイメージでわかりやすいpH；水素イオン指数で表してみましょう。

まず市販されている試薬の「濃塩酸」とは、一般的にモル濃度が12 mol/Lの塩化水素水溶液です。

なぜ「濃塩酸」が12 mol/Lと中途半端な濃度かと言うと、塩化水素を飽和するくらいまで水に溶かすとこのくらいの濃度になるかららしいです。

※ 「HCl」という物質は「塩化水素」である。塩酸とは「塩化水素水溶液」のことを指す。この違いは重要。
　また、塩化水素は揮発性なので、ある濃度の塩酸を持ってきてもそのうち塩化水素が気化して濃度が変わってしまう。だから塩酸は滴定等の標準物質には適さない。
　ちなみに、空気中の二酸化炭素を吸ってしまう水酸化ナトリウムも標準物質には不適。覚えておこう！


では12 mol/Lの塩化水素水溶液のpHとはどれほどか？

塩化水素は強酸で完全電離していると考えると（※後述）、12 mol/L濃塩酸の水素イオン濃度[H⁺]は12 mol/L。

pH = -log [H⁺]

なので

pH = -1

「え！pHがマイナス！？」

っと思うかもしれない。

しかし別にpHが負の数値を取ることは驚くことではない。

定義より、[H⁺] = 1 mol/LならpH = 0だし、[H⁺]がそれより大きな値ならpHは負の値になる。

小学校・中学校のイメージで

「1・・・強酸性、7・・・中性、14・・・強アルカリ性」

なんてイメージがあるが、別にpHは1から14までの値とは限らないのだ。


さて話を戻しましょう。

しかし濃塩酸のpHは「-1」で、これはかなりヤバイレベルの強酸性である。

コワイコワイ。

この濃度の濃塩酸はガンガン気化する塩化水素で発煙し、かなりの刺激臭がし、人体に危険なこと極まりない。

手につくくらいなら大したことないが、目に入ると失明してしまう危険性がある。

だから「濃塩酸」と書いた試薬瓶から塩酸を取りだす際は、ドラフト等でキチンと換気しながら取り扱いましょう。

間違っても蒸気を吸ってしまったりしないように！！

あれは悶絶物です・・・・



※ 濃塩酸中で塩化水素は完全電離しているか？

結論を言うと、そう考えて問題なさそうです。

強酸で、いつも電離定数なんて考えない塩酸ですが、ちゃんと電離定数Kaはあります。

Ka = 10⁴

くらいです。

これはかなり大きな値です。

酢酸のKa = 1.75×10^-5と比べると、なんと10億倍の酸性度！！ということ。

ゆえにいつもは電離定数なんて考えずに完全電離しているものとして計算しますが、今回は濃度が濃いのでこれを考慮してみましょう。

化学平衡の式より、

Ka = [H⁺][Cl^-]/[HCl]

ここで

[Cl^-] = [H⁺]、

[HCl] = C - [H⁺]

を代入し、2次方程式を解くと
（C；塩酸の全濃度、すなわち12 mol/L）

[H⁺] = -Ka/2 + √(Ka²+4KaC)/2

Ka=10⁴ mol/L、C=12 mol/Lを代入すると、

[H⁺] = 11.99 mol/L
（電離度α=99.9%）

これは有効数字を考えると実質[H⁺]=12 mol/Lで、塩酸が完全電離していると考えても良いと言うことになります。

ゆえに濃塩酸は

pH = -1

というところ。

たまには馬鹿でっかい平衡定数の化学平衡も計算したくなりますね。


ところで、今日はヨードホルム反応の記事『ヨードホルム反応の仕組み』で、「わかりやすかった」と筆者あてにTwitterで呟いてくれた方がいました。

いや～うれしい。

この手の話でいつも言っていますが、「頑張って書いた甲斐あったな～」と思います。

これからも精進いたします。

分子のステレオグラム（立体画像）の作り方

前回記事で紹介した分子のステレオグラム（立体画像）の作り方を書いてみます。

前回記事；『ステレオグラム～グルコース・ベンジルアルコール～』

<クリックで拡大>

α-D-グルコースの球棒モデルのステレオグラム
『パソコンで見る動く分子辞典』を利用。

まずパソコン上で3Dで分子を描画できるソフトを用意します。

Jmol、WinMOPAC、ChemSketch等です。

例えば『パソコンで見る動く分子辞典』に付属しているJmolを使ってグルコースのステレオグラムを作る例を示します。


まずリストからグルコースを選んで3Dで表示させます。

前回記事でも書きましたが、どうも空間充填モデルより球棒モデルの方がステレオグラムに向いていそうなので、ここでは球棒モデルで表示させます。

Jmolでグルコースを表示した画面

画面をドラグ（クリックしたままマウスを動かすこと）すると分子の向きを変えることができるので好きな角度にしておきます。

その状態で画面を画像として保存します。
（ここで保存した画像を「画像①」と名付けることにします。）

「File → Export → Export Image or script...」で保存できます。

もしくはパソコン画面を、キーボードの「Print Screen」を押して画像としてクリップボードに取り込み、「ペイント」等の画像処理ソフトに貼りつけても保存できます。

このとき、PNG形式で保存すると劣化しないで済むのでよいでしょう。
（JPEG形式で保存すると不可逆圧縮により画像が劣化し色が悪くなります。PNG形式は劣化しない可逆圧縮です。）

ここで保存した画像が左目で見る画像、すなわちステレオグラムで右に配置されている画像です。

重要！
この間、Jmolに表示されている分子の角度を変えてはいけない！
なぜなら次にこの状態から少し角度を変えるからである！


次に、3Dのグルコースを少しずらす作業に移ります。

保存した画像と同じ状態からスタートです。
（もし動かしてしまっていたら最初からやり直し。）

Y軸回りに回転させます。
；画面の縦方向をY軸、横方向をX軸、垂直方向をZ軸とする。
（言いかえるとX-Z平面上で回転させるということ。）

すなわち下図のように、マウスで真左にドラグして分子を回転させます。

Y軸周りに回転させる。

少し回転させたらまた画像を保存します。
（「画像②」とします。）

Y軸回りに少し回転させたグルコース。

ここで保存した画像が右目で見る画像、すなわちステレオグラムで左に配置されている画像です。


最後に画像処理をします。

「ペイント」等の画像処理ソフトを用いて画像②を左に、画像①を右になるように並べます。

画像①と②を並べる。

このとき2つの左右の画像が

1. 大きさ比1:1
　※ 左右の画像の大きさが違っていたら重ならないのでダメ。

2. 真横に並んでいる
　※ 左右の画像の上下がずれているとうまく重ならないのでダメ。

ということに注意してください。

また、二つの画像の距離も調節します。

近すぎると；立体視で生まれた立体像が左右の画像と被って見にくいのでダメ。

遠すぎると；より目の焦点をずらさないといけないのでしんどいのでダメ。

ということになります。

二つの画像の大きさ、上下、距離を調節したら画像を保存して、完成！！

<クリックで拡大>

α-D-グルコースの球棒モデルのステレオグラム
『パソコンで見る動く分子辞典』を利用。

という感じです。

簡単なのでぜひ作ってみてください。