東京工科大学　工学部　応用化学科　ブログ

　科学雑誌「日経サイエンス」の最新号（２０１７年７月号）の特集は「トランプVS科学」だそうです。アメリカのトランプ大統領が科学者の意見に耳を貸さず、いままでの科学政策の積み重ねを無視するような方針を立てている、という現状報告と問題提起のようです。

　この話題を取り上げた以上、研究者の立場としては「反トランプ」論を展開すべきなのでしょうが、今回は基本の基本の部分に立ち返った話をしたいと思います。

　と、言うわけで今回のお題は、「科学」はなぜ正しいのか？です。

　この質問の仕方では「科学」は正しいことが前提となっています。これは広く受け入れられているのではないでしょうか。個人の判断ならばともかく、集団で何かの方針を決める際に「科学的には正しくない」とされていることを判断の基準として押し通すのはなかなか困難です。それこそトランプ大統領並みの突破力がないと無理ですね。ここからも、一般的には「科学」は正しい、とされていることが分かります。

　もっとも、集団で何かを決める場合に科学的判断が問題になることはあまり多くはなさそうです。それに科学的判断には「Aである」「Aでない」の他に「よくわからない」という解答があり、何か判断が必要な事項（つまり未知の問題を含んだ事項）ではほとんどが「よくわからない」になってしまうでしょう。それでも何かを判断する（決断する）必要があるのが人間の世の中というモノです。

　さて、話を元に戻して「科学」はなぜ正しいのか、もっと正確に言えば、「科学」はなぜ正しいと見なされているのか、について考えてみましょう。

　高校の化学の教科書で「乾電池」として紹介されているのは「マンガン乾電池」ですが、電池を購入しようと思って店頭に行くと「マンガン乾電池」はほとんど見つかりません。おいてある乾電池のほとんどは「アルカリ乾電池」です。

「そうか、マンガンの代わりにアルカリを使う乾電池なのか」

などと思ってしまいますが、実はアルカリ乾電池は「アルカリマンガン乾電池」の略称です。亜鉛を陰極に、二酸化マンガンを陽極に、という構成は「マンガン乾電池」でも「アルカリマンガン乾電池」でも同じですが、電解液が酸性の「マンガン乾電池」に対して「アルカリマンガン乾電池」ではその名の通りアルカリ性の電解液が使われている、というのが本当のところです。

「酸の代わりにアルカリを使うマンガン乾電池なんだ」

というべきですね。

　電池工業会の「なるほど電池Q&A」というページには乾電池についての分かりやすい解説がまとめてあります。その中の「アルカリ乾電池とマンガン乾電池の違いは何ですか？」 という項目ではアルカリ乾電池の特徴は「パワーがあり、長持ちです。」とされています。「パワーがある」という表現は何となく「高電圧」をイメージしてしまいますがどちらの電池も電圧は1.5Vなので「パワーがある」＝「長持ち」と解釈すべきでしょう。

　でははアルカリ乾電池はマンガン乾電池の何倍の電力を発生させることができるのでしょうか？

　そう思って乾電池の容量を調べようと思うと、これが意外と書かれていません。なんで？

　そのものずばりのQ&A「乾電池には電池の容量を表示していないのはなぜですか？PZ18153」という項目がパナソニックの「よくあるご質問」のページで見つかりました。乾電池は使用時のどれくらいの電流を流すかによって発電できる容量が大きく変化してしまうので一つの「容量」を決めることができないのです。

　では、電流を一定にして比較するとどうなるのか？それに対する回答は「[ｱﾙｶﾘ･ﾏﾝｶﾞﾝ] 乾電池の電池容量はどれ位？ PZ29060」にグラフ付きで示されています。以下はそのページから。単三の「マンガン乾電池」と「アルカリ乾電池」のデータをピックアップしてきました。

　先日、ガスコンロの電池がなくなったというので新しいものを買いに行きました。単一電池が二個。そういえば「単一」の電池なんて最近見たことがないなあ、と思って購入しましたが、そのサイズ感とずっしりとした重みにちょっとびっくり。単一電池ってこんなに大きかったんですね。

　さて、皆さんの身近でよく使われているのは単一～単四サイズの円筒型の乾電池ではないでしょうか。子供の頃は単一、単二電池もよく見かけたと記憶していますが、多く使われていたのは単三電池だったと思います。いつの頃からか単四電池が使われることが多くなり、単一電池は滅多に見ないようになりました。

　電池工業会の解説によれば単一電池は高さ61.5mm、直径34.2mmの円柱です。一方単三電池は高さ50.5mm、直径14.5mmです。単一電池は56.4cc、一方単三電池は8.34ccですから体積にすると単一電池は単三電池の約7倍の大きさです。単四電池は高さ44.5mm、直径10.5mmで容積は3.85cc。容積では単三電池の半分以下しかありません。

　単二電池も単一電池と同様、最近使われているところをあまり見なくなりました。単三電池と単一電池との間の大きさの電池ですが、高さが単三電池と同じなので単三電池を単二電池のケースに入れるスペーサーが使われたりします。

　実は単五の電池もあります。高さ30.2mmで単一電池の約半分。直径は単四電池よりも少し太い12.0mmなので少しずんぐりした形です。随分昔に一回だけ使った事がありますが、「単三電池を半分に切ったみたい」という印象でした。

　さて、乾電池のサイズが違うと何が違うのでしょうか？

　先日、ちょっとした電子工作をしていたところ、なんか動作が不安定に。全く動かないならともかく、動いたり動かなかったりというのが腑に落ちないで原因を探していると、どうやら電源に問題が。結局、使っていた乾電池を充電可能なタイプに交換したのが原因だと分かりました。そうなんです、充電式の乾電池の電圧は結構低いのです。

　乾電池と言えば1.5V、一部例外（９Vの角形乾電池やボタン電池など）はありますが、ほとんどの人がそう思っている、というかそもそも気にしていない人も多いのではないでしょうか。昔は乾電池と言えばマンガン乾電池しかありませんでしたらマンガン電池の電圧１．５Vが基準となって定着したのでしょう。

　一方、乾電池を使う側の電気製品をみると、入力電圧に対しては許容範囲の広い製品が多い様です。単純な懐中電灯などであれば電圧の低下は明るさの低下に直結しますが、多少暗くなっても使えなくなるわけではありません。また、情報処理を目的とした電子回路の部品は入力電圧にある程度の許容幅を持たせているものが多く、多少電圧が変動しても動作します。

　このような状況から、乾電池型の蓄電池が開発されたとき、無理して1.5Vを達成する必要はない、と判断されたのでしょう。ニカド電池やニッケル水素電池など、充電式の乾電池の電圧、実は1.2Vとなっていて、1.5Vより20%も低いのです。

　以前の記事で「熱収縮チューブ」を使ってコーティングされた物干し竿を紹介しました。私が子供に家に有ったものなので、私自身はプラスチックのチューブが収縮するところはみていないのですが、両親は不思議に思ったそうです。そこで、今回は「熱収縮チューブ」が収縮するメカニズムについて紹介しましょう。

　まず「熱収縮チューブ」の作り方について。以下の図の出典は山﨑 智、西川 信也、早味 宏、青井 勇人、藤田 竜平、岸本 知佳 著「ナノコンポジット熱収縮チューブ」（SEIテクニカルレビュー  2014年1月号 No.184）という文献からの引用です。こちらは前回の三菱ケミカルのヒシチューブではなくて住友電工ファインポリマーのスミチューブの開発記事です。

　さて、熱収縮チューブの作り方でまず理解できるのは、最初に押し出し成形でチューブを作る際に、すでに収縮したかたちのチューブを作っていることです。作ったチューブを膨張させて販売されるときのかたち、つまり収縮前のサイズ、にしているのです。熱収縮チューブが収縮するのは最初のかたちに戻る、という現象なのですね。

　熱収縮チューブの作り方のもう一つの特徴は「電子線照射工程」です。収縮後のかたちに成形したポリマーに電子線を当てると、ポリマーの鎖に付いている官能基の一部の化学結合が電子線によって壊れて、不安定な部分ができます。これがお隣のポリマー鎖と反応して安定化すればポリマーの鎖と鎖の間に新たに結合が生じることになります。このポリマーの鎖と鎖をつなぐ、という話、どこかで聞いたことはありませんか？

　「いただきーます！　あちち！　ふー、ふー」

　てな感じで熱い食べ物を息を吹きかけて冷ます、というのは何となく身に覚えのある情景ですよね。今回のお題は息を吹きかけると物が冷えるのはなぜか、です。でも、最初にお断りしておきましょう。実は正解が何か、今のところ私にもはっきりしてはいません。二つの仮説を挙げますので、皆さんも一緒に考えていただければと思います。

　さて、「息を吹きかけると物が冷える」理由を考えると、「息を使って風を起こし、熱い物に風が当たることで冷える」と解釈できます。本質は熱い物に向かって風を送ることで、息を使うのはもっとも身近な手段だから、でしょう。風が当たることでものが冷える、というのは風が強いと寒く感じる、という日常の経験で分かりますし、手に息を吹きかけてみても実感できることです。

　この効果、化学工学の表現では

温度の高い物体の周辺のレイノルズ数が大きくなることでヌッセルト数が増大する、これは熱移動の境膜の厚みが減少することに相当するので、熱の移動が促進されて周囲より温度の高い物体に対する冷却速度が高くなる

ということになるのですが、要するに「熱の移動が早くなる」ということです。この効果が原因の場合、「熱いもの」の温度は風の温度、というか周囲の空気の温度までしか冷えない、ということになります。熱い物が周囲の温度まで冷える、その過程が加速されるだけなので当然ですね。

　「ヘンリーの法則」は液体に溶ける気体の量は気体の圧力に比例するという法則ですね。あっ、温度一定という条件があります。

　「気体の量が圧力に比例する」という関係は液体、例えば水を一定の空間だと見なすと「ボイルの法則」とそっくりです。これを逆にみて真空を一つの液体とみなして、ボイルの法則をヘンリーの法則に読み替えて「真空への気体の溶解度」を計算してみよう、というのが今回のお題です。

　まず本当の気体の溶解度の数値を見てみましょう。1.01×10⁵Paの気体が0℃の水1Lに溶ける物質量を教科書の表から拾ってみると

H₂ 0.98×10^-3mol

N₂ 1.06×10^-3mol

O₂ 2.19×10^-3mol

CO₂ 76.5×10^-3mol

HCｌ 23.1mol

となります。

　海水には塩分が含まれていてそのままでは飲み水として利用することはできません。もちろん、農業用水として利用することもできませんから大量の海の水を目の前にしながら水不足に悩む、という不条理なことが起こります。そこで、海水を淡水化する技術、具体的には海水の塩分と水とを分離する技術が求められてきました。

　一番簡単に思いつく水と塩との分離技術は蒸留でしょう。海水の水を蒸発させると塩が残って…あれっ、水は？水は水蒸気になってしまいますから、このままでは塩田で塩を造る技術になってしまいますね。ということで、実際に海水淡水化に用いられている技術は逆浸透という膜を利用する分離技術、つまり膜分離技術の一種です。

　「逆浸透」とは浸透の逆、という意味ですから、まずは「浸透」から。「浸透」という現象は高校の化学の「浸透圧」のところで説明されています。塩などが溶けている水と純粋な水を「半透膜（水は通すが塩は通さない膜）」を介して接触させると水が純水側から塩水側に向かって浸み透ってゆく現象が浸透、そのときの水が塩水に向かってしみ込もうとする圧力を浸透圧といいます。

　よく、純水側から塩水側に水が流れ込んで半透膜の両側で水位に差がつく、という表現がされています。塩水の方が水位が高くなるのですが、では塩水側に圧力をかけておけば水の流れ込みを阻止できる筈です。そのために必要な圧力が「浸透圧」ですが、では浸透圧以上の圧力をかけたらどうなるのでしょうか。

　私が子供の頃の話。テレビかラジオの天気予報なのでしょう。「明日の湿度は１００％」という言葉が耳に入りました。「湿度」が空気中の水の量を表していることは分かるくらいの年齢だったのでしょう。空気中に水が１００％になるということは「水浸し」というか完全に「水中」にいることになるのじゃないか、なんて馬鹿な予報なんだ、と考えた記憶があります。

　まあ、馬鹿はおまえだ、ということで今回のお題は「湿度１００％」がどんな状態か、という話をしましょう。

　天気予報などで使われている「湿度」という言葉、正確には「相対湿度」のことです。空気中の水分が飽和蒸気圧分の水分に比べてどのくらいの量、含まれているか。それをパーセントで表しています。ですから「湿度１００％」という状態は空気中に飽和蒸気圧の水分が含まれている状態だ、ということです。

　なるほど、では「湿度１００％」の空気中には実際にはどれくらいの（例えば何mg/Lの）水が含まれているのでしょうか？

　実はこの問い、この条件だけでは答えることができません。飽和蒸気圧は温度によって変わりますから温度を指定しないと空気中の水の量を求めることができません。

　水の飽和蒸気圧は以下に示すAntoineの式で求めることができます。

　「太陽から地球に到達する光のエネルギーは342W/m²。その約３割は反射され、 約2割は水の蒸発に使われることになります。」

　という書き出しでいくつか記事を書いてきました。前回は人間が代謝するエネルギーを太陽光線で賄うとしたらどれだけの面積が必要かを計算しました。結果は約0.3m2くらい。以外と小さいのですが、これは太陽エネルギーの変換効率が100％なら、という仮定での話です。

　さて、今回のお題は人が（代謝するエネルギーだけではなく）必要とする全てのエネルギーを太陽光で賄うとしたら、という計算です。

　まず、人が必要とするエネルギーとはどれくらいなのでしょうか。その人が住んでいる土地（暖かいか寒いか）や季節（夏か冬か）によって変わるのでしょうが、大きな違いを生むのはその人が暮らしている社会の技術のレベルでしょう。

　少し古いのですが平成16年の「エネルギーに関する年次報告」（要するに「エネルギー白書」の事です）の序章には「文明とエネルギー」というコラム乗っています。その中で社会の発展とともに人間の利用するエネルギーが増える様子がグラフで示されています。

　原始人は4,000kcalを日々消費していたと考えられます。半分は代謝、要するに食べ物のエネルギーですが、同程度のエネルギーを火を燃やして消費していました。以降、技術が発展するとともに人々のエネルギー消費は増えていきます。

火を使い食料を調理し始めた狩猟人は 5,000kcal

農業を始めた初期農業人は12,000kcal

一部水やや石炭の利用を知り始めた高度農業人は26,00kcal

産業革命当時の社会に暮らした人々「産業人」は77,000kcal

そして現在の我々、「技術人」は230,000kcalのエネルギーを消費してる、

としています。

　これを太陽光線で賄う（利用効率は100％としましょう。）としたら、どれくらいの面積が必要になるか、計算してみましょう。