この 章 で 学ぶ こと
第 10 章 (最終章) で は 高分子 化合物 を 学 び ます。 高分子 と は 多数 の 小 さ な 分子 (単量体 / モノマー) が つ な が っ た 巨大 な 分子 で、 分子量 は 1 万 〜 100 万 を こ え る も の も あ り ます。
- 高分子化合物 の 一般的性質 を 説明 で きる
- 付加 重合 と 縮合 重合 の ち が い を 区別 で きる
- 糖類 (単糖・二糖・多糖) の 種類 と 反応 を 整理 で きる
- タンパク質 の 構造 (1 次 〜 4 次) と 性質 を 述 べ ら れ る
- ナイロン・ポリエステル・ポリエチレン な ど 合成高分子 の 用途 を 知 る
- 環境 に や さ し い 生分解性 プラスチック を 知 る
ポイント: 私 た ち の 体 (タンパク質・DNA・多糖)、 衣服 (綿・絹・ナイロン・ポリエステル)、 生活用品 (プラスチック・ゴム) — そ の ほ ぼ す べ て が 高分子 で で き て い ます。
1. 高分子 の 基本
高分子 と は
| 用語 | 意味 |
|---|
| **[[単量体 | たんりょうたい]] (モノマー)** |
| **[[重合体 | じゅうがったい]] (ポリマー)** |
| **[[重合 度 | じゅうごう ど]]** n |
| **[[平均 分子量 | へいきん ぶんしりょう]]** |
重合 の 種類
| 種類 | 反応 | 例 |
|---|
| **[[付加 重合 | ふか じゅうごう]]** | C = C を 開 い て つ な が る、 副生物 な し |
| **[[縮合 重合 | ちぢみごう じゅうごう]]** | -OH や -COOH 同士 が 結合、 H₂O が 抜 け る |
| **[[開環 重合 | ひらきたまき じゅうごう]]** | 環状単量体 が 開 い て つ な が る |
| **[[共 重合 | とも じゅうごう]]** | 2 種類以上 の 単量体 を 混 ぜ て 重合 |
高分子 の 性質
- 一般 に 結晶部分 と 非結晶部分 が 混在 (融点 が 不明瞭、 軟化 す る)
- 水 に 溶 け に く い も の が 多 い (タンパク質・デンプン な ど 親水性高分子 は 例外)
- 熱 を 加 え る と 熱可塑性 (温度 で 軟化、 PE・PS) と 熱硬化性 (固 ま っ た ら 戻 ら な い、 フェノール 樹脂・尿素樹脂) に 分 か れ る
2. 糖類 (炭水化物)
単糖
最 も 小 さ い 糖 で、 加水分解 で こ れ 以上分 け ら れ な い。
| 名前 | 化学式 | 特徴 |
|---|
| グルコース (ブドウ 糖) | C₆H₁₂O₆ | 血糖、 還元性 (-CHO 基)、 アルコール 発酵 |
| フルクトース (果糖) | C₆H₁₂O₆ | 果実・蜂蜜、 糖 の 中 で 最 も 甘 い |
| ガラクトース | C₆H₁₂O₆ | 乳糖 の 構成 |
二糖
単糖 2 個 が 縮合 し た もの。 加水分解 で 単糖 2 個 に。
| 名前 | 構成 | 特徴 |
|---|
| マルトース (麦芽糖) | グルコース 2 個 | 還元性 あ り、 デンプン の 加水分解 |
| スクロース (ショ 糖) | グルコース + フルクトース | 還元性 な し、 砂糖 の 主成分 |
| ラクトース (乳糖) | グルコース + ガラクトース | 還元性 あ り、 牛乳 |
多糖
単糖 が 多数 つ な が っ た もの。 加水分解 で 多数 の 単糖 に。
| 名前 | 構成 | 特徴・用途 |
|---|
| デンプン | α-グルコース が α-1,4 結合 | 植物 の 貯蔵養分、 [[ヨウ素 デンプン 反応 |
| グリコーゲン | α-グルコース、 枝分 か れ 多 い | 動物 の 肝臓・筋肉 の 貯蔵養分 |
| セルロース | β-グルコース が β-1,4 結合 | 植物細胞壁、 紙・綿 の 主成分 |
糖 の 反応
- アルコール 発酵: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ (酵母)
- 還元性 試験: 銀鏡反応、 フェーリング 液 (還元 す る 単糖・二糖 で 起 こ る)
- ヨウ素 デンプン 反応: デンプン + I₂ → 青紫色 (デンプン の 検出)
3. タンパク質
アミノ酸
タンパク質 の 単量体。 1 つ の 炭素 に -NH₂ (アミノ 基) と -COOH (カルボキシ 基) と H と 側鎖 R が つ く。 R が 異 な る 約 20 種類 の α-アミノ 酸 が ある。
H₂N-CHR-COOH
中央 の C は 不斉炭素 (ただ し グリシン R = H は 例外) → 鏡像異性体 が 存在 (天然 は ほ ぼ L 体)。
酸 と 塩基 の 両性 (双性 イオン)
水溶液中 で は -COOH が H⁺ を 失 い、 -NH₂ が H⁺ を 受 け 取 り、 ⁺H₃N-CHR-COO⁻ の 双性 イオン に な る。 全体 の 電荷 が 0 に な る pH を 等電点 と い う。
ペプチド 結合 と タンパク質 の 構造
2 個 の アミノ 酸 が -COOH と -NH₂ で 縮合 し H₂O が 抜 け る と ペプチド 結合 -CO-NH- が で き る。 多数 の アミノ 酸 が つ な が っ た もの が タンパク質。
| 構造 | 内容 |
|---|
| 1 次構造 | アミノ酸 の 配列順 |
| 2 次構造 | 水素結合 で α-ヘリックス や β-シート |
| 3 次構造 | 全体 の 立体折 り たた み |
| 4 次構造 | 複数 の タンパク質 が 集 ま っ た 状態 (ヘモグロビン な ど) |
タンパク質 の 検出反応
| 反応 | 試薬 | 色 | 検出 する もの |
|---|
| ビウレット 反応 | NaOH + CuSO₄ | 赤紫 | ペプチド 結合 (2 個以上) |
| キサント プロテイン 反応 | 濃 HNO₃ で 加熱 → アンモニア 水 | 黄 → 橙 | ベンゼン 環 (チロシン な ど) |
| 硫黄反応 | NaOH 加熱 + 酢酸鉛 | 黒 (PbS) | S を 含 む アミノ酸 (システイン) |
| ニンヒドリン 反応 | ニンヒドリン 試薬 | 紫 | アミノ 酸全般 |
タンパク質 の 変性
熱・酸・有機溶媒・重金属 イオン で 立体構造 が こ わ れ る = 変性。 卵 を ゆ で る と 白 く 固 ま る の が 例。
4. 核酸
**[[DNA]] の 二重らせん 構造** — リン酸 + デオキシリボース + 塩基 (A, T, G, C) の 鎖 が 2 本 より合わさり [[らせん]] を 作る。 生体高分子 の 代表。
DNA と RNA の 単量体 = ヌクレオチド (糖 + リン酸 + 塩基)。
| 核酸 | 糖 | 塩基 | 役割 |
|---|
| DNA | デオキシ リボース | A, T, G, C | 遺伝情報 を 保存 |
| RNA | リボース | A, U, G, C | タンパク質合成 |
DNA は 2 重 ら せん 構造 (ワトソン・クリック)。 A-T、 G-C で 水素結合。
5. 合成高分子 (繊維・樹脂・ゴム)
合成繊維
| 名前 | 単量体 | 重合 | 用途 |
|---|
| ナイロン 66 | アジピン酸 + ヘキサ メチレン ジアミン | 縮合重合 | 衣料 (ストッキング)、 釣糸 |
| ナイロン 6 | カプロ ラクタム | 開環重合 | 衣料 |
| ポリエステル (PET) | テレフタル酸 + エチレングリコール | 縮合重合 | ペット ボトル、 衣料 |
| アクリル | アクリロ ニトリル | 付加重合 | セーター |
| ビニロン | 酢酸 ビニル → ポリビニル アルコール | 付加 + 反応 | 漁網、 ロープ |
合成樹脂 (プラスチック)
| 名前 | 単量体 | 性質・用途 |
|---|
| ポリエチレン (PE) | エチレン CH₂=CH₂ | 袋、 容器 |
| ポリプロピレン (PP) | プロピレン CH₂=CHCH₃ | 食品容器、 自動車部品 |
| ポリ塩化 ビニル (PVC) | 塩化 ビニル CH₂=CHCl | パイプ、 シート |
| ポリスチレン (PS) | スチレン CH₂=CHC₆H₅ | 発泡 スチロール |
| ポリ メタクリル酸 メチル (PMMA) | メタクリル酸 メチル | アクリル 板、 水族館 |
| フェノール 樹脂 | フェノール + ホルム アルデヒド | 熱硬化、 電気部品 |
合成 ゴム
天然 ゴム は イソ プレン (CH₂=C(CH₃)CH=CH₂) の 重合体。 加硫 (S を 加 え 加熱) で 弾性 が 増 す。
合成 ゴム の 例: スチレン ブタジエン ゴム (SBR、 タイヤ)、 ブチル ゴム (タイヤ チューブ)、 シリコーン ゴム (耐熱)。
機能性高分子
| 種類 | 用途 |
|---|
| 生分解性 プラスチック | ポリ 乳酸 (PLA) — 微生物 で 分解、 環境負荷低減 |
| イオン 交換樹脂 | 水 の 軟化、 純水製造 |
| 高吸水性樹脂 | 紙 オムツ、 保水材 (自重 の 100 〜 1000 倍 の 水 を 吸 う) |
| 導電性高分子 | 太陽電池、 タッチ パネル |
| 形状記憶 ポリマー | 医療 (ステント)、 産業 |
天然繊維 と 半合成繊維
| 名前 | 出所 | 主成分 |
|---|
| 綿 | 植物 (コットン) | セルロース |
| 麻 | 植物 (リネン) | セルロース |
| 絹 | 動物 (カイコ の 繭) | タンパク質 (フィブロイン) |
| 羊毛 | 動物 (ヒツジ) | タンパク質 (ケラチン) |
| レーヨン | セルロース を 化学処理 し 再生 | セルロース |
| アセテート | セルロース を アセチル 化 (半合成) | セルロース 誘導体 |
プラスチック の リサイクル
PET ボトル を 例 に、 リサイクル の 方法 は 大 き く 3 種類:
| 種類 | 内容 |
|---|
| マテリアル リサイクル | 砕 い て 溶 か し、 別 の 製品 に 再生 (繊維・容器) |
| ケミカル リサイクル | エステル を 加水分解 し、 単量体 に 戻 し て 再重合 |
| サーマル リサイクル | 燃 や し て 熱 を 利用 (発電・熱源) |
6. 章 の まとめ
重要用語 まとめ
- 付加 重合 (副生物 な し) と 縮合 重合 (H₂O が 抜 け る)
- 糖類: 単糖 (グルコース)・二糖 (スクロース)・多糖 (デンプン・セルロース)
- スクロース は 還元性 な し、 ほ か の 糖 は ほ ぼ 還元性 あ り
- タンパク質検出: ビウレット 反応 (赤紫)、 キサント プロテイン 反応 (黄 → 橙)
- DNA は ヌクレオチド (糖 + リン酸 + 塩基) の 2 重 ら せん
- 主 な 合成繊維: ナイロン (アミド 結合)、 ポリエステル (エステル 結合)
確認 リスト
この 章 の 安全配慮
- フェノール・ホルム アルデヒド は 有毒・刺激性。 ドラフト 内 で 扱 う
- ポリ ウレタン・ポリスチレン を 加熱・燃焼 す る と 有毒 な シアン 化水素・スチレン 蒸気 が 発生。 屋外 で も 燃 や さ な い
- 重合反応 は 急激 に 進 む と 発熱・突沸 の お そ れ。 触媒量 と 温度 を 厳守
- アクリロ ニトリル は 強 い 毒性 (発 が ん 性疑 い)。 取 り 扱 い 時 は 手袋・保護 メガネ・換気
- 廃 プラスチック は 流 し に 流 さ ず 自治体 の 分別 ルール に 従 う
化学 の 学習 を 終 え て: 第 1 章 の 「物質 の 分類」 か ら 第 10 章 の 「高分子化合物」 ま で、 高校化学 の 基本 を ひ と とおり 学 び ま し た。 次 は 一問一答 と 問題集 で 知識 を 定着 さ せ、 大学入試 の 過去問 で 計算力・記述力 を 鍛 え て いき ま し ょ う。
**[[ポリエチレン]]** (PE) — [[エチレン]] (C₂H₄) が 多数連 な っ た **[[付加重合|ふかじゅうごう]]** 型[[高分子|こうぶんし]]。 レジ袋・ボトル・包装フィルム 等 に 使 わ れる 最 も ありふれた プラスチック。
まとめ — 高分子化合物 を 3 行で
- 高分子の重合反応は副生物なしの 付加 重合 (ポリエチレン等) と H₂O が抜ける 縮合 重合 (ナイロン・ポリエステル等) の 2 大型に分かれる
- 天然高分子では糖類 (単糖・二糖・多糖)・タンパク質 (アミノ酸の縮合) ・核酸 (ヌクレオチドの二重らせん) が生命を支える基本物質である
- 合成繊維では ナイロン (アミド結合) ・ポリエステル (エステル結合) が代表で、 リサイクル (マテリアル・ケミカル・サーマル) は環境負荷軽減の要である