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挫折せずに化学を学べる
イラストや図が多用されているため、化学が苦手な方にとってもわかりやすいです。また、一つのテーマが見開きで完結しているため読みやすさは抜群の一冊と言えます。学生だけではなく、大人でも気軽に読めて楽しい本です。
はじめに
原子や元素,分子に周期表,イオン結合,有機物……。そんな言葉を化学の授業で聞いたけれど,自分たちには関係のない遠い世界の 「話だと思った人もいるのではないでしょうか。でもそれは、大きなまちがいです。
化学は、物質の構造や性質を解き明かしていく学問です。その成果は、私たちの身のまわりのあらゆるところで見ることができます。たとえば,毎日使うスマートフォンからコンビニのレジ袋,医薬品まで, 生活の中で利用する多くのものが,化学の知識を元に生み出されているのです。私たちの生活は、化学がなければ成り立たないといえるで しょう。
本書では、さまざまな現象にかかわる化学を,“最強に”面白く紹介しています。化学を勉強している中高生や,学生時代に挫折してしまった人にピッタリの1冊です。どうぞお楽しみください!
目次
イントロダクション
1 化学とは、物質の性質を調べる学問.
2 スマホには、レアな元素がたくさん使われている
3 鮮やかな花火の色は、化学でつくる
4 プラスチックは、“鎖状の分子”でできている
5 開発が進む生分解性プラスチック
6 博士!教えて!!ダイヤモンドをつくるには?
1.世界は原子でできている!
1 通常の物質は、「原子」でできている!
2 原子は、原子核と電子でできている
3 水素原子には、重いものと軽いものがある
4 原子がぶつかって「化学反応」がおきる
5 膨大な数の原子や分子を、「モル」であらわそう!
Q モルの計算をやってみよう!
A モルの計算の答え
6 周期表をみれば,元素の“性格”が丸わかり
7 最外殻の電子が元素の性格を決める
8 宇宙にある元素の99.9%は水素とヘリウム
9 新たな元素を人工的につくりだせ!
コラム 地球は年々,軽くなっている!
4コマ 物理学者、アボガドロ
4コマ アボガドロの法則を発表
2. 原子が結びついて物質ができる
1 原子のつながり方には3種類ある
2 電子を共有して強く結びつく「共有結合」
3 自由に動きまわる電子が原子を結びつける「金属結合」
4 電気的に引き合うことで結びつく「イオン結合」
5 水分子は「水素結合」で結びついている
コラム 博士!教えて!! 氷が水に浮くのはなぜ?
6 謎の引力「ファン・デル・ワールスカ」
7 物質は,気体・液体・固体に変化する
8 宝石や鉄は,原子が整列した結晶だった
コラム ヤモリのファン・デル・ワールス力
4コマ 物理学者,ファン・デル・ワールス
4コマ 分子間の引力を発見
3. 身のまわりにあふれるイオン
1 「イオン」とは、電気を流すと動く粒子
2 原子とイオンのちがいは、電子の数にある
3 電子の“空席”の数で,どんなイオンになるかが決まる
4 水分子が連れ去ることで結晶が溶けていく
5 魚に塩を振るのは、くさみをぬくため
コラム 世界一臭い食べ物とは
6 酸味や苦味は、イオンが生みだしていた!
7 金属のサビは、酸素がつくっていた
8 電池は、金属のイオンを利用している
9 マンガン乾電池の中を見てみよう
コラム イカやタコの血液は青い
4. 現代社会に欠かせない有機物
1 炭素原子が生みだす物質を調べる有機化学
2 19世紀,有機物は徹底的に分解された
3 炭素の四つの手が多彩な有機物を生み出す
4 炭素原子がつながって、有機物の骨格になる
5 有機物の性格は、“飾り”で決まる
6 同じ原子からでも、まったくちがう有機物ができる
7 生命の部品は、炭素が骨格になっている
コラム 博士! 教えて!!マグロのトロは、なぜとろけるの?
コラム ヘンな名前の有機物たち
8 私たちは有機物に囲まれて生活している
9 薬となる有機物を人工的に合成する!
10 有機EL,超分子….., 有機化学は新時代へ…..
4コマ 有機化学の創始者,リービッヒ
4コマ 有機化学の創始者, ウェーラー
イントロダクション
化学と聞くと、自分とは何の関係もないむずかしい学問だと思 う人も少なくないでしょう。でも実際は、化学は私たちの生活 のさまざまな場面で活躍しています。イントロダクションでは, 化学とは何なのか,そして、私たちの身のまわりにどんな化学 がひそんでいるのかをみていきましょう。
1 化学とは、物質の性質を調べる学問
化学は、錬金術から発展してきた
原子,元素,分子,周期表にイオン結合,無機物,有機物……。そ んな言葉を化学の授業で習った記憶はあるけれど,その意味はちんぷ んかんぷんという人は少なくないでしょう。「化学」とは,いったい 何なのでしょうか。
化学とは、世の中のすべての物質の構造や性質を解き明かす学問で す。英語で化学を意味する Chemistryは, Alchemy(錬金術)に由来 します。中世以前に、ありふれた金属を金などの貴重な金属につくり かえようとした試みが錬金術です。金を生みだす錬金術そのものは成 功しませんでしたが,その試行錯誤(実験する精神)から化学は発展 してきました。
化学は生活に欠かせない身近なもの
私たちの身のまわりのあらゆる物質が化学の対象です。さらに物質 の構造や性質がわかり,物質どうしがどのような反応をおこすのかが わかれば,その知識はさまざまな技術に応用できます。実際に,私た ちが利用する多くのものは、化学の知識を元に生み出されたものです。
化学は私たちの生活に欠かせない、とても身近な学問であることを, これからみていきましょう。
鉛筆の芯とノートの構造
私たちがよく使う鉛筆の芯と,ノート(紙)のミクロの構造を 示しました。化学とは,このような物質の構造や性質を解き明 かしていく学問です。
鉛筆 鉛筆の芯は,炭素の膜 が層をなした黒鉛を粘 土と混ぜたものです。
黒鉛(グラファイト) 炭素原子(C)が正六角形の網目 構造をなす膜が,層状に積み重な っています。膜どうしは、弱い電 気的な力でつながっています。
紙 紙は「セルロース」という鎖状 の分子でできています。
2 スマホには、レアな元素が たくさん使われている
スマホが高性能なのは、レアメタルのおかげ
今や,私たちの生活に欠かせないスマートフォン(スマホ)。スマ ホには、どんな化学がひそんでいるのでしょうか。
スマホが多機能かつ高性能なのは、「レアメタル」のおかげです。 レアメタル(希少元素)とは、地上に存在する量の少なさや,採掘方 法のむずかしさなどから希少性が高いとされる,経済産業省が指定し た金属元素の総称です。
家電製品には、必ずレアメタルが含まれる
リチウムイオン電池の材料となる「リチウム(Li)」, スピーカーな どに使われている「ネオジム(Nd)」, 液晶ディスプレイに欠かせない 透明な金属の材料となる「インジウム(In)」など,スマホにはさまざ まなレアメタルが使われています。これらの元素の性質をうまく利用 することで,スマホはできているのです。スマホのほかにも、家電製 品には必ずレアメタルが含まれるといっても過言ではありません。
レアメタルを確保することは、まさに現代産業の生命線です。そこ で最近、スマホやデジタルカメラオーディオプレーヤーなど,廃 棄される家電製品に使われている金属や微量のレアメタルを「都市鉱 山」と名づけ、リサイクルする試みが進められています。
スマホの中にある元素
スマホの中にあるパーツと,そこに使われている元素を紹介し ています。炭素やアルミニウムなどから,貴重なレアメタルま で, スマホの中にはたくさんの元素がつまっています。
液晶ディスプレイ 液晶ディスプレイには、イン ジウム(In)やスズ(Sn)から つくられた透明な電極が使わ れています。
LED LEDをつくる材料として,イ ンジウム(In)やガリウム (Ga)などの元素が使われて います。
ICチップ ICチップの中には、シリコン (Si)などの半導体をはじめ、 金(Au), 銀(Ag), 銅(Cu) などの電気が流れやすい材料 が使われています。
リチウムイオン電池 リチウムイオン電池には,電 気をつくるかぎとなるリチウ ム(Li)や、電極としてコバル ト(Co) や炭素(C)が使われ ています。
3 鮮やかな花火の色は, 化学でつくる
バリウムは黄緑,カルシウムはオレンジ
夜空を美しくいろどる花火。花火の鮮やかな色も、化学の力で生み だされています。
花火の色のちがいを生んでいるのは,「光を放つ金属元素のちがい」 です。熱エネルギーを受け取った金属の原子は一時的に不安定な状態 になり,安定な状態にもどるときに,元素ごとに特有の色(波長)の 光を放ちます。たとえば、バリウム(Ba)は黄緑,カルシウム(Ca) はオレンジ,カリウム(K)は紫,といったぐあいです。化学では, これを「炎色反応」といいます。
江戸時代の花火は、カラフルではなかった
花火師は、これらの金属元素を含むさまざまな「染色剤」を調合す ることで、さまざまな色を生み出しています。色とりどりの花火が日 本で見られるようになったのは、明治時代以降のことです。それ以前 の江戸時代の花火は、今のようにカラフルではなく、黒色火薬の燃焼 で生じる暗いオレンジ色の光が主だったといわれています。黒色火薬 とは,硝石(硝酸カリウム,KNO3)や硫黄(S),木炭などをまぜあ わせた火薬です。
色とりどりの炎色反応
金属を加熱すると,種類ごとに決まった色の光を放ちます。こ れを炎色反応といいます。さまざまな金属を含む「染色剤」を 使うことで,花火のあざやかな色が生みだされています。
赤 リチウム(Li)
紫 カリウム(K)
オレンジ カルシウム(Ca)
深い赤 ストロンチウム(Sr)
黄線 バリウム(Ba)
青綠 銅(Cu)
4 プラスチックは、 “鎖状の分子”でできている
プラスチックには、さまざまな種類がある
「プラスチック」は、身近な化学の代名詞だといえるでしょう。歯 ブラシやペットボトル, レジ袋やストローなど,多くのプラスチック 製品が私たちの生活を支えています。
ひとくちにプラスチックといっても,化学的にはさまざまな種類が あります。なかでも代表的なのは、レジ袋などに使われる「ポリエチ レン」とストローなどに使われる「ポリプロピレン」です。
となりあう分子どうしをつなげてつくる
「ポリエチレンは、「エチレン」という分子からつくります。エチレ ンの分子は、2個の炭素原子が“2本の手”でつながっています(二重 結合といいます)。その一方の手を解くことで、となりあうエチレン どうしをつなげることができます。こうして、たくさんのエチレンを 鎖のように次々とつなげたものがポリエチレンです。一方,ポリプロ ピレンは、エチレンのかわりに、「プロピレン」を次々に鎖状につな げたものです。
プラスチックは、自然にはほとんど分解されません。そのため,フ ラスチックによる環境汚染が問題になっています。
プラスチックの構造
エチレンからつくられるポリエチレンとプロピレンからつく られるポリプロピレンの分子構造をイラストで示しました。ど ちらも鎖状に一本に連なった構造をしています。
ポリエチレン 多数のエチレンが鎖 状につながったのが ポリエチレンです。 スーパーやコンビニ のレジ袋のほか,包 装用フィルムなどに 使われています。
ポリプロピレン 多数のプロピレンが、 鎖状につながったの がポリプロピレンで す。ストローのほか、 使い捨てのスプーン やフォーク、容器な どに使われています。
開発が進む生分解性プラスチック
プラスチックによる環境汚染をふせぐため,化学者たちが 近年さかんに研究しているのが,「生分解性プラスチック」で す。生分解性プラスチックとは、微生物などの生き物が分解 できるプラスチックのことです。その代表的なものが,「ポリ 乳酸」です。
ポリ乳酸は、トウモロコシなどのでんぷんを「乳酸」に変え, その乳酸を鎖状につなげたプラスチックです。ポリ乳酸は, 生物由来の「バイオプラスチック」にも分類されます。
ポリ乳酸は、土壌などに生息する一部の微生物が分解でき ます。ただし,急速に分解するためには60°C付近にするなど の特別な条件が必要とされます。たんに土に埋めたり海に捨 てたりした場合は、数か月、あるいは年単位の時間をかけても, 完全には分解されないことがあるとみられています。そのた め、より分解されやすい生分解性プラスチックの開発が望ま れています。
イラスト(IMG_4513.JPG)省略
博士! 教えて!!
ダイヤモンドをつくるには?
博士! ダイヤモンドを家でつくって大もうけしたいん ですけど、ダイヤモンドってどんな元素でできているん ですか?
ダイヤモンドは、鉛筆の芯と同じ炭素(C)でできておる。
じゃあ,鉛筆の芯からダイヤモンドをつくれますか!?
うーむ……。天然のダイヤモンドは、地下150 ~ 250 キロメートルでつくられておる。1000°C以上,数万気 圧の環境で,炭素がおしかためられてできるんじゃ。
地下150~250キロ!? ダイヤモンドをつくって億万 長者になるのは、あきらめないといけませんね……。
家でつくるのは無理じゃが、今は人工のダイヤモンドが, 数日から数週間でつくれるようになっておるぞ。地球深 部の高温・高圧環境を再現して、さらにさまざまな条件 をととのえることでつくられるんじゃ。
