解説

吸光係数の単位のはなし(江頭教授)

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 今回は前回の記事で紹介した学生実験の「ブリリアントブルー」による吸光係数を算出する課題、について補足しておきましょう。

 分光光度計でブリリアントブルーの水溶液による光の吸収を測定するとき、水溶液の濃度が高いほど、水溶液の中を光りが通る長さ(光路長)が長いほど光の吸収が大きくなります。ここで言う「光の吸収」は単純に考えると「水溶液の中を光が通り抜ける間に吸収されてしまった光の割合」つまり吸収率(=1-透過率)のように思えるのですが、前回説明したようにLambert-Beerの法則が適用されて「透過率の対数にマイナスを付けたもの」(これを「吸光度」と呼びます)になります。

 この吸光度が「水溶液の濃度と光路長の積」と比例する。その比例係数が吸光係数なのですが吸光度の次元は無い、というか次元は1なので吸光係数は「水溶液の濃度と光路長の積」の次元の「逆数」になるのです。水溶液の濃度としてモル濃度、mol/L を用い光路長を cm で表すとモル吸光係数(モル濃度で定義したので「モル」を頭に付けています)の単位はL・mol-1・cm-1となります。

 では、この単位で表したモル吸光係数はどのくらいの大きさになるのでしょうか。

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吸光係数とランベルト・ベール(Lambert-Beer)の法則(江頭教授)

| 投稿者: tut_staff

 本学応用化学科の一年生の学生実験では光吸収の実験も含まれています。このなかで学生さんたちは以下のブリリアントブルーという分子のモル光吸収係数をデータから算出してレポートに記述することになっています。今回、提出されたレポートをみて思ったことを書いておきましょう。

 まずモル吸光係数とはなにか。実験テキストではまずランベルト・ベール(Lambert-Beer)の法則の説明から始めて、透過率の対数にマイナスを付けたものが吸光度であること。吸光度は吸光分析器で光が通る長さ(光路長)と対象分子のモル濃度に比例していて、その比例定数をモル吸光係数とよぶ、と説明しています。

 この説明はモル光吸収係数を計算する立場(学生さんの立場ですね)から分かり易い様に書かれているわけですが、逆になぜこの計算でモル光吸収係数という分子に固有の物性値が算出されるのか、という疑問もあるのではないでしょうか。もっと具体的に言うと、いろいろな吸光光度計でいろいろな濃度のブリリアントブルー水溶液の光の透過率を測ったとしても、どんな場合でも「透過率の対数にマイナスをつけて光路長とモル濃度で割れば」一定の値になる、それは何故か?ということですね。

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「ファクター」って何(江頭教授)

| 投稿者: tut_staff

 「ファクター」という言葉は日本語になっていると言って良いのでしょうか。私としては、少し難しい「横文字」という程度には広く知られている言葉ではないかと思います。最近(?)話題になった山中伸弥教授による「日本で新型コロナウイルスのまん延を防いでいる要因をファクターXと呼ぼう」という提案でも特に説明無しに「ファクター」という言葉が使われています。

 山中教授のファクターXにある「ファクター」ですが、日本語にすれば「要因・要素」といった意味です。ファクターXは日本語にすれば「未知の要因」といったところですが、これだと一つの言葉として認識されにくいのかも知れません。

 話変わって今回は生物学ではなくて化学における「ファクター」の話をしたいと思います。具体的には滴定の実験の際に用いられるファクターのお話し。

 まず、滴定では濃度が未知の溶液Aを一定の量とり、それと正確な濃度のわかっている溶液Bを反応させ、ちょうど反応が終了した時点での溶液Bの体積を求めます。それぞれの溶液に含まれていた物質A、Bの物質量が同じ(反応によっては1:1以外の簡単な整数比)になっていることから未知試料の濃度Aを求めることができます。ここで「正確な濃度のわかっている溶液B」はどうやって作るのか、という問題があるのですね。

 固体の試薬を測り取ってその重さを正確に測定する。それを溶かしてメスフラスコで正確な体積に希釈する、というのが標準的な操作です。ただ、目標の濃度を設定してメスフラスコの体積と試薬の重量を決めても、このやり方だと必ずしも目標通りの濃度にはならない。これは試薬の重量を完全に目標通りにはできないから。とは言っても1割2割ずれるという程ではなくてせいぜい数パーセント程度のずれとなるはずです。

 例えば 0.01 mol/L の溶液を目標としたとしましょう。この溶液は毎回作るたびに 0.01 mol/L に近い濃度になるのですが、やはり回ごとに少し異なる濃度になってしまいます。

 この場合、作った溶液の実際の濃度を目標の濃度で割ったものをファクターと呼んでいます。たとえば 0.01007 mol/Lの溶液は「濃度 0.01 mol/Lの溶液でファクターは1.007です」という言い方です。

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二酸化炭素の環境基準は何ppmが相応しいか(江頭教授)

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 前回の記事で温暖化問題の大きな割合を占めている化石燃料の利用をフェードアウトさせるには国家による人為的な介入が必要だ、という考えを説明しました。では、その「人為的な介入」とは具体的にどのようなものになるのでしょうか。

 政府がいきなり「今後化石燃料は使わない」と宣言したとしても、それだけでは何の影響もないでしょう。化石燃料を利用しているのは別に政府ではなく、民間の企業と一般の国民なのです。企業や国民が政府に「忖度」してくれるとはとても思えません。やはりここは何かの手法で強制しなくては。

 目的を企業や国民の活動を制限して有害な物質を大気に排出させないこと、と考えるとこれには先例があることに気が付きます。そう、昭和43年、1968年代に公害問題を解決する際に作られた法律のひとつ。大気汚染防止法です。化石燃料の燃焼から発生する硫黄酸化物(SOx)や窒素酸化物(NOx)を規制する法律ですから、これに二酸化炭素の期制も加えてはどうでしょうか。

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化石燃料はどのようにフェードアウトするのか(江頭教授)

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 化石燃料はいつかは枯渇してしまうから、他のエネルギー源が必要だ。この考えはおそらく1970年代半ばの石油危機によって日本中に、いえ世界中に広まったものだと思います。当時考えられていた「他のエネルギー」は原子力で、短期的には核分裂、長期的には核融合でした。核融合が実用化されればエネルギー問題にはけりが付く。核融合は事実上無尽蔵のエネルギーだ。その様に当時は考えられていたのです。

 その後、チェルノブイリの原子力発電所の事故(1986)の影響でしょうか、原子力は未来のエネルギーの座から滑り落ちてしまいました。その後、未来のエネルギーは空位の状態になってしまったのですが、石油をはじめとしたエネルギー資源の供給は安定していたため、世間の注目がエネルギー問題に集まることはなかったのだと思います。

 その後、1990年代に入ってからでしょうか。温室効果ガスとしての二酸化炭素の問題が注目され始めました。再び、化石燃料からの脱却が必要だ、他のエネルギーが必要だ、という意識が高まってきました。ここで注目されたのは再生可能エネルギーで、太陽電池、風力発電、バイオマスなどがその代表です。

 つまり現在では化石燃料を再生可能エネルギーに置き換えることが温室効果ガス問題の解決だ、という認識が広く共有された状況にあるわけです。では、その置き換えは具体的にはどのように進められるのでしょうか。

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van der Waals の状態方程式(江頭教授)

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 こちらの記事では常温・高圧のメタンの挙動は理想気体の状態方程式からずれる、という話をしました。その上で、より実在のメタンに近い状態方程式として「van der Waals の状態方程式」による計算結果を紹介しました。今回はこの「van der Waals の状態方程式」について少し説明をしましょう。

 まずはどんな状態方程式なのか、の説明から。状態方程式なのでPVT、n そしてR(それぞれ圧力、体積、絶対温度、物質量、ガス定数)の関係式で以下の様な形です。理想気体の状態方程式にはなかったabというパラメータが新たに加わっているのが特徴です。

 この式の一つ目の特徴はV=nbとなるときPの値が無限大に発散すること。これが前回の記事で「どんなに高い圧力をかけても体積は一定値以下にはならない」と説明したところです。気体の体積はnb以下になることはない。つまりbは分子一個の体積(のようなもの)なのですね。

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LPG(液化石油ガス)の代わりにLNG(液化天然ガス)が使えるか その2 高圧編(江頭教授)

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 先日の記事「LPG(液化石油ガス)の代わりにLNG(液化天然ガス)が使えるか」では室温では天然ガス(メタン)は液化しないのLNGにはならない。だからLPGにはかなわない。と書きました。

 確かに液化しないならLNGとは呼べませんね。でも問題はボンベにどれくらい詰め込むことができるかです。液化しないなら思い切り高圧にガスを押し込んでしまえば良いのでは。液化はしなくても液体と同じくらいの密度でボンベに詰め込むことができれば良いしょう。

 家庭用のLPGの主成分であるプロパンは大気圧では-42℃で液化。そのときの密度は0.493g/mLです。LPGボンベの中ではこれより高圧で温度も高いので多少密度は変化すると思いますが、まずはボンベに詰め込む密度の目標値を0.5g/mLとしましょう。

 メタンを加圧して0.5g/mLの密度でボンベに詰める。そのときの圧力はどのくらいなのでしょうか。

 理想気体の状態方程式から密度ρ

ρ=Mn/V=MP/(RT)

と表されることが分かります。ここでP,V,Tはそれぞれ圧力、体積、温度、nは物質量、Mは分子量、そしてRは気体定数です。Pについてとくと

P =ρRT/

です。これに M=16 g/mol、R=0.0821 L・atm/(mol・K)、室温20℃を想定してT=293.2K、それにρ=0.5g/mLを代入します。単位に注して結果は

P=752 atm

となりました。

 750気圧。普通のボンベの5倍の圧力。これはいくら何でも大きすぎる。でもこの計算にはそれ以前の問題があるのです。

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LPG(液化石油ガス)の代わりにLNG(液化天然ガス)が使えるか(江頭教授)

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 家庭用のLPGはよくプロパンガスと呼ばれますが正式な名称は液化石油ガスた、という話はこちらの記事で紹介しました。その一方都市ガスは通常天然ガスが使われています。天然ガスの主成分はメタンガス。プロパンはC3H8、メタンはCH4。1分子内の炭素や水素の数が違うので酸化反応での発熱量はプロパンガスのほうがずっと大きくなります。重量基準なら大差は無いところですがガスは気体で供給されるのですから体積当たりの発熱量には1分子当たりの特徴がストレートに反映される。つまりLPGというかプロパンの方が発熱量が大きいのですね。このため調理器はLPG用の調理器と都市ガス用の調理器は互換性がありません。

 これは不便だ。いっそLPGも都市ガスも同じガスを使えたら良いのに。そう考える人がいるかも知れません。天然ガスを液化したものはLNG ( Liquefied Natural Gas まんま液化天然ガスです)と呼ばれています。海外から天然ガスを輸入するとき、天然ガスはLNGの形で船で輸送されています。なら港についたLNG船からボンベに詰めて各家庭に配送すれば便利なのでは。

 でも、これには大きな問題があるのです。

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LPガスは実は液化プロパンガスの略称ではなくて液化石油ガスの略称なのだけれど家庭用のLPガスの主成分はやっぱりプロパンガスだって知ってましたか?(江頭教授)

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 「電気、水道、ガス」と並べて言われるようにガスというのは生活のためのインフラの一つとなっています。ガス管を通じて供給されるガスを都市ガスと呼びますが、この都市ガスが整備されていない場所で利用されるのがボンベに入ったガス。LPガスです。

 この「LPガス」ですが、「プロパンガス」とも呼ばれています。となれば「LPガス」は液化プロパンガスの略称で、Liquified Propane Gas の頭文字だと思うところです。恥ずかしながら私もそう思い込んでいた時期がありました。でも本当は Liquified Petroleum Gas (液化石油ガス)の略称です。

 石油は油で液体なのに石油ガスとはこれ如何に。石油、というか原油は利用する前に蒸溜によってガソリンや軽油、重油などいろいろな成分に分けられるのですが、その行程で生じるガスが石油ガス、という訳です。石油ガスの成分は低級アルカンのうち特にC3のプロパン、そしてC4のブタンです。C5のペンタン以降は常温で液体になるので、石油ガスは比較的液体に近いガスと言いましょうか。そのためある程度圧力をかけるだけで液体になる。実際ボンベに加圧して詰めると液化し、ボンベの中に大量のガス(というか液)を保存できる点で、各家庭に配送するという用途に向いているのです。

 ではなんでLPガスのことをプロパンガスと呼ぶのでしょうか。(ブタンガスの立場は?)実は家庭用のLPガスは主成分がプロパンガスになるように調整されているのです。

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こちらは本学八王子キャンパスの近くにあるラーメン屋さんに置かれたプロパンガスのボンベ。プロパンガスは都市ガスよりも発熱量が高いので中華料理の様に高い火力が必要な場合に好んで用いられるのだそうです。

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ボンベの容量いろいろ(江頭教授)

| 投稿者: tut_staff

 このブログを読んでいるあなたが都市ガスの供給される地域に住んでいるならボンベというものにあまりなじみがないかも知れません。でも都市ガスのガス管がない地域に住んでいる人にはLPガスボンベは必需品ですよね。他にも病院で酸素ボンベが使われているところを見たことがある人もいるでしょう。

 大学の、それも化学系の学科であればもっといろいろなボンベが使われています。ではそのボンベにはどれくらいのガスが入っているのでしょうか。

 私が学生の頃にはボンベには大型の「7立米(りゅうべ)のボンベ」と小型の「1立米(りゅうべ)のボンベ」がある、と教わったものです。あ、「立米(りゅうべ)」はm3のこと(詳細はこちらの記事で紹介しています)。いくら大型と言っても7m3のボンベというのはでかすぎ(1m × 1m × 7mですもんね)。実際にはガスは150気圧程度に圧縮されていて体積も150分の1に縮んでいますから、だいたい46.7Lという計算になります。これは高さ約1.5m、半径25cm程度の円柱のボンベで47L型と呼ばれます。一方で「1立米(りゅうべ)のボンベ」は高さ約1m、半径15cmの10L型のボンベのことで、これに100気圧でガスを充填すれば(大気圧で)1m3のガスを詰めることができます。

 ボンベは鉄製の肉厚な容器ですからかなりの重く、47L型は40kg以上の重さです。小ぶりな 10L型でも10kg以上。では、この中に詰まっているガスはどのくらいの重さなのでしょうか。

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これは病院で使われる10Lの酸素ボンベです

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