Transcript 活性化エネルギーを 小さくする

身近な化学２００９
総集編
これまでの授業を振り返ります。
しっかりと復習しましょう！！
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CONTUNUE
第１回：化学の始まり
Q１．人類が一番初めにおこなった化学反応は？
A１．火を燃やす：燃焼反応
n
)O2
CmHn + (m +
4
木
酸素
n
m CO2 +
H2O
2
＋ 熱エネルギー
銅のつるぎを得るために行った化学反応は？
スライムを倒す じゃなくて
焚き木の中に石を入れる → 還元反応
CuO +
酸化銅
1
C
2
炭
Cu
1
+
2
CO2
燃焼は酸化反応
原子のはなし
+
-
原子核
陽子
核力という
強い力で結び合っている。
中性子
+
-
電子
クーロン力という弱い力で結びついている
12
6
C
6: 原子番号＝陽子の数
12: 質量数＝陽子の数+中性子の数
では炭素原子と酸素原子では何が違うのですか？ 陽子の数
原子の誕生
-
+
原子
恒星のなかで作られる
恒星の中で、陽子と中性子が高密度になる
「核融合」という反応がおき、原子核ができる。
初期の核融合反応
４
２
He
大きな星の中では核融合反応がさらに進む
１２
６
４
２
He
４
２
１２
６
He
４
２
He
16
C
４
２
C
8
He
O
大きな星では中心部の密度がより大きい
核融合反応がさらに進む
太陽くらいの大きさの星の中心では酸素原子が、
ベテルギウスやアンタレスのような
超巨星では中心で鉄原子が作られています。
原子の大きさはどれくらい？
約１億分の１センチ
野球ボール
ああ、小さいね・・
地球
金属の性質はとその仕組みは？
A. 金属のは光沢を持ち、展性・延性があり、
電気や熱をよく伝えます。
それらは、自由電子による金属結合で説明できます。
イオン結晶（例：食塩）
分子結晶（例：ヨウ素）
一様な力では結びついていない
外部からの力を受け流して
形が変化する 延性・展性
すべては
自由電子！！
化学変化とエネルギー
C
A
B
よりエネルギーが安定になる方向に反応が進行する
結合の強さ（発熱・吸熱）
エントロピー（乱雑）
化学変化：活性化エネルギー・反応熱
反応が始まるにはきっかけが必要
かき混ぜたり、熱を加えたり
活性化エネルギー
反応熱
化学変化：活性化エネルギー・反応熱
山が高すぎると登れない
触媒
活性化エネルギーを
小さくする
固体・液体・気体
固体：結びつきが強い
液体：結びつきがあるが
弱く、ある程度自由
気体：結びつきがない
自由
体積は１０００倍になる
粒子間の距離：固体の約10倍
石油の分留
原油：炭素が２つ、つながった化合物から
30程度つながったものまでの混合物
沸点 炭素数
低い 少ない
液化石油ガス
（LPG)
原油
脱水・
脱塩・
脱硫
軽質ナフサ
石油化学製品
重質ナフサ
ガソリン
常圧蒸留
灯油
クラッキング
軽油
不十分だと大気汚染の
原因になる
残油
高い
多い
蒸留して
沸点の近い成分に分けて利用
残油
減圧蒸留
重油・アスファルト
クラッキング
熱で結合を切る
炭素のつながりの
少ない物へ
C C C C C C C C C C C C C
軽油
熱で結合を切る
C C C C C C
C C C C C C C
H
H
H
H
H
H
C C C H
C C
H
エチレン
H
ナフサ
H
プロピ レン
様々な化学製品へ
プラスチックの話
プラスチックとは？ 合成高分子の１つ
高分子：分子量（分子の重さ、大きさ）が10000以上
Ｃ：分子量12
炭素が800個以上つながっている
石油（ナフサ）からどうやって作るのか？
高分子を作る手法：重合
小さな分子をつなげて大きな分子へ
モノマー
ポリマー
プラスチックの種類：
熱に対する挙動で２つに分けられる。
熱可塑性樹脂：熱で軟らかくなり、冷やすと硬化する。
成形が容易で用途が幅広い
成型
熱
固体（ペレット）
液体になる
可塑剤というものを用いると成型しやすくなる
プラスチックの種類：
熱に対する挙動で２つに分けられる。
熱硬化性樹脂：熱で化学反応が進み、硬化する。
その後熱を加えても軟らかくならない。
熱
成型
原料（液体）
熱に強いが成形は難しい。
硬化
代表的なプラスチック
ポリエチレン・ポリプロピレン・ポリスチレン
ポリ塩化ビニル・ポリエチレンテレフタレート（PET)
全生産量の約75％をこの5つのプラスチックが占めている
この部分
これらはいずれも熱可塑性樹脂である。
プラスチックのリサイクル
プラスチックの生産量 1450万トン（年）
プラスチックの廃棄量 1050万トン（年）
日本人の全体重 720万トン（1.2億人、60Kgとして）
効率の良い利用・再利用などが望まれる
3つのＲ： リデュース・
リユース・
リサイクル
プラスチックのリサイクル
プラスチックが出来るまで
石油
ナフサ
モノマー
ポリマー
製品
材料リサイクル
材料リサイクル:化学的変化はさせず再び材料として利用
発泡スチロールトレイのリサイクル
ペットボトルのリサイクル
ペットボトルからポリエステル繊維へ
プラスチックのリサイクル
プラスチックが出来るまで
石油
ナフサ
モノマー
サーマルリサイクル
ポリマー
ケミカルリサイクル
ケミカルリサイクル:化学的変化させて、
ガスやコークスなどの原料として利用
サーマルサイクル:燃やして燃焼熱を利用
製品
リサイクルの前に・・・
リサイクルを行うのにはエネルギーが必要！
リデュース
リユース：少しエネルギーが必要
本質的には、リサイクルよりもリユース、リデュースの方が優れている。
電池の化学
電池とは化学反応によってエネルギーを
直接に（直流）電力に変換する装置
燃焼： 化学反応
→ 熱エネルギー
電池： 化学反応
→ 電気エネルギー
どんな化学反応か？
酸化還元反応
酸化還元反応
酸化反応
電子を失う反応
2+
Zn
還元反応
2+
Cu
+
Zn
電子を受け取る反応
-
+
Cu
2e
e
-
e-
e-
電気が流れる
Zn
Cu
2e-
化学電池の構造
負極：電子を出す
e- e
正極：電子を受け取る
電流が
流れる
Cu
Zn
イオン
電解質：
負極と正極をつなぎ
イオンを伝え、
酸化還元反応を起こす
電池の種類
一次電池：繰り返し使用しない電池
マンガン電池・アルカリ電池など
二次電池：充電して繰り返し使用可能な電池
鉛蓄電池・ニッケル水素電池・リチウムイオン電池など
ニッケル水素電池：ハイブリットカーのバッテリー
リチウムイオン電池：携帯やパソコンなど
最も多く作られている電池
炎色反応の原理：原子を熱すると
励起
色となって見える
原子を熱すると結合が弱くなり
電子が外側に動く
しかし、すぐにもと位置に戻る
電子が動いた様子（1000億分の１センチくらい）
が人の目には色として見える
炎色反応の原理
原子
励起
熱エネルギー
原子（元の状態）
光エネルギー
（原子によって異なる）
鮮やかな色彩
熱エネルギーを 光エネルギーに変換している
炭火の反応
ゆるやか
花火（火薬）の反応
CO2
C + O2
非常に速い燃焼反応
酸化剤
素早く酸化反応させる
非常に速い C + 2 KNO
NO33
CO2 + 2KNO2
短い時間で一気に燃えた方が、単位時間（たとえば1秒）
あたりのエネルギーは大きくなる。
短い時間に大きなエネルギー
単位時間あたりに非常に大きなエネルギー
空気の動きは？
大きな
エネルギー発生
熱エネルギー
空気に伝わる
運動エネルギー
（空気が素早く動く）
空気がぶつかり合う
大きな音
爆風
水の話
水分子の特徴
常温で液体である
O
H
水から氷になると
体積が大きくなる
H
その理由は・・・
分子の極性
水分子を作る結合：共有結合
共有結合：原子が電子をひとつずつ出し合う
●
●
●
d－
O
●
●
→
H
●●
→
●●
δー
d＋
●
●
●
O
H
H
δ＋
δ＋
分極
δー
O
δー
O
H
δ＋
H
δ＋
δ＋
H
O δー
δー
O
H
δ＋
水素結合
δ＋
H
H
δ＋
H
δ＋
H
δ＋ H
δ＋
δー
O
H
δ＋
気体になる場合には水素結合を切る必要
その分エネルギーが多く必要 → 沸点が高い
水素結合を保ったまま固体になる
→ すき間の大きな固体（氷）になる
→ 氷になると体積が大きくなる
水の用途で一番多いのは何？
農業用水
生活用水
工業用水
井上用水
水の利用の約7割が農業用水
水の用途
農業用水・生活用水・工業用水
使い終われば？
農業排水・生活排水・工業排水
それらによって起こる水環境への影響は？
重金属、有機物による汚染、富栄養化
排水との関係は？
重金属は工業排水
有機物・富栄養化は農業排水・生活排水
重金属を含んだ水の浄化：キレート化
キレート化は配位結合を利用したもの
N
●
●
M
N
●
●
M
配位結合：ひとつの原子が結合に必要な電子を２つとも出す
N
M
⇒
N
●
●
●
●
●
●
N
●
●
N
M
２つ以上の配位結合で
金属を挟み込む
有機物の汚染：生活排水
有機物は好気性微生物が、酸素を使って分解する。
有機物が多いと、分解するのに酸素が多く必要
酸素の少ない水になる
他の水生生物が住めなくなる
嫌気性微生物が働き出す
悪臭の原因
（硫化水素など）
下水の処理（活性汚泥法）が大事
富栄養化
植物の生長に必要な元素：
Ｎ、Ｐ
しかし・・・
通常水の中に
これらの元素は少ない
植物 プランクトンが増える
N
N
P
N
P
N
P
N
N
P
P
N
P
N
生活排水・農業廃水・畜産排水
などから、
N,Pを含む水が流れ込むと・・
赤潮：周りの水生生物への悪影響
悪臭などの環境悪化
アオコの例
大気の話
地球上の大気：
窒素78％、酸素21％、アルゴン1％、水蒸気1％
、二酸化炭素0.036％
大気中に人工的にそれ以外の物質が多く放出されると
大気環境問題が起こりうる。
大気の汚染：関連する3つの化学・物理的変化
Cm H n
m CO2
+（m+n/4 ) O2
+
Cm H n （液体）
F
Cl C
F
+ n/2
H2 O
燃焼エネルギー（熱）
燃焼熱
Cm Hn（気体）
F
Cl
Cl C ・
F
光によって結合が切れる
光
・Cl
ラジカル
３種類の反応と大気汚染現象との関連
酸性雨・地球温暖化・オゾン層破壊・光化学オキシダント
酸性雨
燃料中に含まれるＳ原子
違い
空気中の窒素原子
SO 2
NO2
H2O
H2O
燃焼熱
SO2
NO2
H 2 SO 4
HNO3
雲に混じり、酸性の雨が降る原因となる
SO2 、 NO2 の発生源
固定発生源：工場・発電所など
移動発生源：車・飛行機など
SO2 、 NO2 の影響の違い
数日
SO 2
H 2 SO 4
数時間
NO2
HNO3
SO 2
H 2 SO 4
酸性雨
時間
A
B
A
B
酸性雨の対策：
大気中に、NO2, SO2 を出さなければいい
SO2：燃料の改善 燃料中の不純物のSを除く
NO2：NO2が出ないように燃やし方の改善
酸性雨対策：先進国と途上国との違い
SO2
NO2
地球温暖化
なぜ二酸化炭素は温暖化するのか？
地球の温度の暖まり方
太陽
太陽からの光で
地表が暖められる
温室効果ガスは熱を伝える
赤外線・遠赤外線を吸収する
逃げてゆく赤外・遠赤外線を
温室効果を持つ
吸収
気体
地表
地表
昼
夜
なぜ二酸化炭素は温暖化するのか？
地球温暖化
温室効果を持つ気体
分子は原子と原子がバネのようにつながっているので振動する。
その振動により赤外線・遠赤外線を吸収する。
O
C
O
O
N
N
O
O
H
H
物
質
同じ原子で出来ている分子
：お互いに振動をうち消すの
で赤外線を吸収しない
他にも、メタンやフロンなども
同様の性質を持つ