２００４年１２月２日（木）　04ko2-36　Ｉ 実験３５　気体の炭化水素

さて，今日から有機化学の学習です。有機化合物は，中学校のときに習っていますね。まあ，難しいことは後にして，実験を楽しむことにしましょう。しかし，有機化合物の実験では，濃硫酸を使ったり，引火性の溶媒を使うことが多いですね。反応も，少し時間がかかるものが多くなります。実験では，注意点をよく守り，間違いのないようにして下さい。 　今日の実験は，炭化水素に関するものです。炭化水素とは，炭素と水素からできた化合物のことですね。最も簡単な構造の炭化水素はメタンＣＨ４です。都市ガスの主成分はメタンです。大阪ガスでは約８８％がメタンだそうです。それ以外に，エタンが６％，プロパンが４％，ブタンが２％含まれているようです。したがって，都市ガスを水上置換して，それをメタンとします。メタン以外に，エチレンＣＨ２＝ＣＨ２とアセチレンＣＨ≡ＣＨを合成して，それらの性質を調べることにしましょう。

実験３５　気体の炭化水素 １．メタンの捕集 　ガスバーナーの上部を筒をはずし，ビニルチューブをつける。水上置換でメタン（都市ガスの主成分）を試験管４本に捕集し，最初の１本は捨て，残り３本にゴム栓をする。

エチレンは，次の方法でつくってください。１６０℃がポイントです。約１４０℃で反応させると，ジエチルエーテルができます。 　　　　　　　　濃硫酸 Ｃ２Ｈ５ＯＨ　　→　　Ｃ２Ｈ４↑　＋　Ｈ２Ｏ 　　　　　　　　１６０℃以上 　　　　　　　　　濃硫酸 ２Ｃ２Ｈ５ＯＨ　　→　　Ｃ２Ｈ５−Ｏ−Ｃ２Ｈ５　＋　Ｈ２Ｏ 　　　　　　　　　１４０℃

２．エチレンの発生 　エタノール２ｍｌ を試験管に取り，水道水で冷却しながら濃硫酸４ｍｌ を少しずつ加え，よく振って混合する。これに沸騰石を加え，１６０℃（発生器内が褐色になる程度）に加熱する。水上置換で，エチレンを３本の試験管に捕集する。

アセチレンは，次の方法でつくってください。 ＣａＣ２　＋　２Ｈ２Ｏ　→　Ｃａ（ＯＨ）２　＋　Ｃ２Ｈ２↑

３．アセチレンの発生 　小指大の炭化カルシウムを試験管に入れ，水中に沈める。炭化カルシウムと水の反応で生じるアセチレンを，３本の試験管に捕集する。

これで準備が整いました。それぞれの炭化水素の性質を調べます。まず最初は燃え方の違いを調べましょう。ろうそくの炎は黄色で，明るいですね。これは，ろうが炭素を多く含んでいるからです。水素が燃えても黄色い炎を出しませんね。したがって，炎の色で炭素含有量の多少がわかるのです。また，炭素を多く含んでいるものは，燃えるときにすすを出します。

４．炭化水素の性質 １本目の試験管にマッチで点火し，炎の色，すすの発生の度合いなどをみる。 ２本目の試験管に臭素水を１ｍｌ 入れ，ゴム栓をしてよく振り，色の変化をみる。 ３本目の試験管に硫酸酸性の過マンガン酸カリウム水溶液を１ｍｌ 入れ，ゴム栓をしてよく振り，色の変化などをみる。 メタンＣＨ４ エチレンＣ２Ｈ４ アセチレンＣ２Ｈ２ 点火のようす Br２aq ＫＭｎＯ４aq

それでは，実験結果の確認をしましょう。 メタンＣＨ４ エチレンＣ２Ｈ４ アセチレンＣ２Ｈ２ 点火のようす うすい青色の炎 黄色の炎，すすの発生 黄色の炎，多量のすすの発生 Br２aq 変化なし 無色に変化 無色に変化 ＫＭｎＯ４aq 変化なし 褐色に変化 褐色に変化 　炭素含有量は，メタンが７５％，エチレンが ８６％,アセチレンが９２％です。 　エチレンやアセチレンのように不飽和結合をもっている物質は，臭素の付加反応が起こります。したがって，臭素分子の色（赤褐色）が消えるのです。 　それでは考察です。

１．エチレンとアセチレンの発生反応は， 　Ｃ２Ｈ５ＯＨ　→　Ｃ２Ｈ４↑　＋　Ｈ２Ｏ 　ＣａＣ２　＋　２Ｈ２Ｏ　→　Ｃａ（ＯＨ）２　＋　Ｃ２Ｈ２↑ ２．メタン，エチレン，アセチレンの完全燃焼の化学反応式は， 　ＣＨ４　＋　２Ｏ２　→　ＣＯ２　＋　２Ｈ２Ｏ 　Ｃ２Ｈ４　＋　３Ｏ２　→　２ＣＯ２　＋　２Ｈ２Ｏ 　２Ｃ２Ｈ２　＋　５Ｏ２　→　４ＣＯ２　＋　２Ｈ２Ｏ ３．エチレン，アセチレンと臭素との反応は， 　ＣＨ２＝ＣＨ２　＋　Ｂｒ２　→　ＣＨＢｒ−ＣＨＢｒ（１，２−ジブロモエタン　dibromoethane） 　ＣＨ≡ＣＨ　＋　Ｂｒ２　→　ＣＨＢｒ＝ＣＨＢｒ（１，２−ジブロモエチレン　dibromoethylene） 　ＣＨＢｒ＝ＣＨＢｒ　＋　Ｂｒ２　→　ＣＨＢｒ２−ＣＨＢｒ２（テトラブロモエタン　tetrabromoethane） ４．メタン，エチレン，アセチレンのうち，硫酸酸性過マンガン酸カリウムによって酸化されやすいものは， 　エチレン，アセチレン 　ＭｎＯ４−　＋　８Ｈ＋　＋　５ｅ−　→　Ｍｎ２＋　＋　４Ｈ２Ｏ 　ただし，マンガン原子が酸化数＋４で止まれば，ＭｎＯ２になります。 　炭化水素の燃焼について，もう少し詳しく説明しましょう。 　水素原子は燃焼により水になる。 ４Ｈ　＋　Ｏ２　＝　２Ｈ２Ｏ　＋　Ｑ１ｋＪ 　炭素原子は燃焼により二酸化炭素になる。 Ｃ　＋　Ｏ２　＝　ＣＯ２　＋　Ｑ２ｋＪ 　水素原子の割合が少ない→Ｑ１が小さい→Ｃ−Ｃが残る→すすが発生する。 Ｃの燃焼熱＝３９４ｋＪ/ｍｏｌ，Ｈ２の燃焼熱＝２８６ｋＪ/ｍｏｌ Ｃ−Ｈの結合エネルギー＝４１６ｋＪ/ｍｏｌ，Ｃ−Ｃの結合エネルギー＝２８６ｋＪ/ｍｏｌ

今日の実験のポイントは，次の通りです。 １．エタノールに濃硫酸を加え，約１６０℃以上に熱すると，エチレンが発生します。 ２．炭化カルシウム（カーバイド）に水を加えると，アセチレンが発生します。 ３．メタン，エチレン，アセチレンを燃やすと，炭素含有率の大きいアセチレンが，最もすすを出します。 ４．エチレンやアセチレンのような不飽和結合をもった化合物に臭素水を加えると，臭素水の色が消えます。 ５．エチレンやアセチレンのような不飽和結合をもった化合物は，硫酸酸性過マンガン酸カリウムによって酸化されやすいです。