Transcript パワーポイント版
はじめの化学反応とその利用 燃焼反応と金属の発見 Cm Hn + (m + n 4 酸素 木 )O 2 n m CO2 + ＋ ＋ 2 H 2O 熱エネルギー 光エネルギー 燃焼エネルギー CuO 酸化銅 1 + 2 炭 C Cu 1 + 2 CO 2 原子のはなし 陽子 + 原子核 「核力」という 「強い力」で結びついている 中性子 - + - 電子 クーロン力という電気的な引き合い（弱い力）で 結びついている 12 C 6 6: 原子番号＝陽子の数 12: 質量数＝陽子の数+中性子の数 元素記号：原子の種類を記号で表して分かりやすくしたもの 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 陽子と中性子：原子核内でバランスよく存在する 安定な原子核 不安定な原子核 １２ 14 ６ C 陽子6 中性子6 ６ バランスが悪いと？ C 陽子6 中性子8 中性子が多すぎ！ 中性子が１つ陽子に変化する：電子β崩壊 + 電子 + （β線） γ線 電子β崩壊によって、炭素原子核が窒素原子核に変化する 14 ６ C 陽子6 中性子8 14 7 N 陽子7 中性子7 陽子と中性子：原子核内でバランスよく存在しても・・ 209 83 Bi 205 81 陽子83 中性子126 陽子が多すぎて中性子がいても 原子核内で陽子が反発する Tl 4 + 2 He + γ線 陽子２つをHe原子核として放出 α崩壊 安定に存在できるのは陽子数（原子番号）82の鉛（Pb)まで それよりも原子番号の大きいものはすべて不安定な元素 原子番号92のウランももちろん不安定な元素 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。 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 1億倍の関係の例 野球ボール 地球 金属の性質はとその仕組みは？ 金属は 光沢を持ち、 展性・延性があります。 そして、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。 金属結合 自由電子（マイナス）により 金属原子（陽イオン）が結びつけられている ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 金属が光沢を持つ理由： 自由電子が光を跳ね返す 自由電子は動き回っているので 光の多くを跳ね返せる 金属と食塩との違い：展性・延性 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 結晶中に強い結合と弱い結合がある 外からの力で弱いところが切れる 見た目には「割れる」 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 参考） 酸素：分子量３２ 二酸化炭素：分子量４４ エチルアルコール：分子量４６ Ｃ：分子量12 炭素が800個以上つながっている 石油から人工的に合成する。 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 エチレン ポリエチレン 塩化ビニル ポリ塩化ビニル 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 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。 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 サーマルリサイクル:燃やして燃焼熱を利用 製品 栄養素と化学 α-ブドウ糖 でんぷん β-ブドウ糖 セルロース 水分子が取れながら分子がつながる でんぷんはらせん状の分子構造 セルロースはシート状の分子構造 ヨウ素でんぷん反応 細胞壁 でんぷん分子がらせん状に ヨウ素を包む。 青紫色 糖質・タンパク質・脂質 合成も分解も「水」が大事 水 ブドウ糖 消化酵素 ＋水 ブドウ糖 でんぷん 合成 分解 水 消化酵素 ＋水 アミノ酸 アミノ酸 たんぱく質 水 脂肪酸 ＋ グリセリン 単純脂質 消化酵素 ＋水 脂肪酸 腸で吸収 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 酸素を受け取る 酸化反応 2 Mg O2 + 2 MgO Mg Mg 還元反応 酸素を失う + 2 CuO Cu 2+ 電子を失う反応 + C 2e - 2+ + 2e - 電子を受け取る反応 2 Cu Cu + CO 2 実用電池は正極、負極に使う化合物、電解液に使う化合 物を工夫して電気が効率的に流れるように開発したもの 負極（酸化） 正極（還元） 電解液 ボルタ Zn Cu 食塩水 硫酸 ダニエル Zn Cu CuSO4 マンガン Zn MnO2 NH4Cｌ Zn MnO2 KOH （アルカリ性） （ルクランシェ） アルカリ （アルカリマンガン） 黒鉛 電池の発見による化学の発展 電気分解 水の電気分解 電気分解による新しい元素の発見 K, Na, Ca, Sr, Ba, Mg など ファラデーの法則 電気分解される物質は流れた電気量に比例する リチウムイオン電池：最も多く使われている電池 負極にリチウムを用いる リチウム： 原子の大きさが小さい（水素、ヘリウムの次） イオン化傾向が一番大きい（酸化反応をしやすい） 同じ大きさでたくさんの電気をためることが出来る → 小型化が可能 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) ナフサ 原油 脱水 常圧蒸留 灯油 ガソリン 化学製品 クラッキング 脱塩 NaCｌじゃない 軽油 残油 からの重油 高い 蒸留して沸点の近い成分に分けて利用 多い クラッキング C C C C C 炭素のつながりの 少ない物へ 熱で結合を切る C C C C C C C C C C C C C C C C C C C 軽油 C C より需要の高いナフサを作るために 炭素の数の多い経由などからナフサを作る。 ナフサ 炎色反応の原理 励起 金属原子 熱エネルギー エネルギー高い・不安定 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 熱エネルギーから 光エネルギーへの変換 炎色反応の原理：原子を熱すると 励起（エネルギーが高い） 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 火薬の化学反応：燃焼反応 燃焼とは光と熱を出しながら酸素と化合すること 炭の燃焼：ゆっくり C + O2 C O2 火薬の燃焼：速い C + 2 KNO 3 硝酸カリウムが 速い燃焼を実現 （酸化剤） C O 2 + 2 K NO 2 速い燃焼：短時間で大きなエネルギー 空気の粒子 大きな 運動エネルギー 火薬の燃焼 熱エネルギー 大きな音（音エネルギー） 爆風 空気の粒が音速を超えた衝撃波も 熱エネルギーから 運動エネルギーへの変換 水の話 水分子の特徴 常温で液体である O H H NH3やCH4と比較して沸点高い 水から氷になると 体積が大きくなる δー 普通は体積小さくなる O H δ＋ その理由は・・・ H δ＋ 水分子は分極している δー δー O O H H δ＋ δ＋ δ＋ δー H H δ＋ O δ＋ δ＋ δー O H H H δ＋ δー 水素結合 O H δ＋ H δ＋ 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 農業用水・生活用水・工業用水 水の利用の約7割が農業用水 農業用水 地球上にある水のうち 食糧生産 すぐに使える水の割合は？ もしも水が不足すると？ ０．０１％ 食料が生産できなくなる 水環境の保全はこの観点からも重要 水の汚染と環境保護 重金属、有機物による汚染、富栄養化 （窒素、リン） これらの原因となる物質を含む水がそのまま 水環境に出て行かないよう処理をする。 重金属：キレート法 有機物：活性汚泥法 有機物の汚れの指標：COD、BOD 有機物（よごれ）が多いと値が大きい 那珂川 １前後 桜川 ５～８ ややきたない 沢渡川 ８～１２ 千波湖 ８～１２ 下水処理 きれい 茨苑会館 前の池 ２０～３０ 論外 きたない 5以下なら望ましい 活性汚泥法 好気性微生物を用いて 空気（酸素）をたくさん送り込み、 有機物を積極的に分解させる。 下水 １０００～２０００ これを１０前後になるよう処理 重金属の処理：「キレート」を用いる キレートと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 N N ● ● ⇒ ● ● ● ● ● ● N M M ２つ以上の配位結合で 金属を挟み込む 富栄養化 植物の生長に必要な元素： 通常水の中に これらの元素は少ない → Ｎ、Ｐ しかし・・・ 植物 N N P N P P N プランクトンが増える N N P N P P N 生活排水・農業廃水・畜産排水 赤潮：周りの水生生物への悪影響 などから、 悪臭などの環境悪化 N,Pを含む水が流れ込むと・・ ３種類の反応と大気汚染現象との関連 大気の汚染に関連する3つの化学・物理的変化 酸性雨・地球温暖化・オゾン層破壊・光化学オキシダント （フロン） ４つの主な、大気の汚染現象 （スモッグ） 酸性雨 燃料中に含まれる Ｓ原子 違い 空気中の 窒素原子 H2O SO 2 N O2 SO 2 燃焼熱 分子 H 2 SO 4 H2O H N O3 雲に混じり、酸性の雨が降る原因となる N O2 SO 2 、 N O 2 の 影 響 の 違 い 数日 SO 2 H 2 SO 4 数時間 N O2 H N O3 SO 2 H 2 SO 4 時間 A B 酸性雨 A B 酸性雨の対策： SO2：燃料の改善 NO2：燃やし方の改善 排気ガスの浄化 マフラーなど 温室効果を持つ気体 水蒸気、二酸化炭素、メタンなど 地球温暖化 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 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 温室効果を持つ気体が多くなりすぎると 地球の気温が上昇してしまう可能性 地球温暖化 なぜ水や二酸化炭素は温室効果を持つか？ 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 H H 物 質