花火の科学

身近な化学２０1１
総集編
これまでの授業を振り返ります。
しっかりと復習しましょう！！
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CONTUNUE
人類が一番初めにおこなった化学反応は？
火を燃やす：燃焼反応
CmHn +
木
n
(m +
)O2
4
酸素
m CO2 +
n
2
H2O
+ 熱エネルギー
原子の構造
原子の大きさはどれくらい？
約１億分の１センチ
野球ボール
地球
原子はどこでつくられる？
恒星の中で核融合で作られます。
太陽くらいの大きさの星では炭素や酸素
ベテルギウスのような超巨星の中心では鉄が作られてます
原子のつくりはどうなっているの？
陽子
+
-
原子核
核力という
強い力で結び合っている。
中性子
+
-
電子
クーロン力という弱い力で結びついている
12
C
6
6: 原子番号＝陽子の数
12: 質量数＝陽子の数+中性子の数
元素：原子の種類
炭素原子と酸素原子では何が違うか？
陽子の数
原子核：陽子と中性子がバランスよく存在
よい
安定な核種
陽子が
中性子が
多すぎ
多すぎ
不安定な核種
陽子や中性子が多すぎると： β崩壊をする
１４
C
６
陽子６・中性子８
１４
N
＋電子＋ガンマ線
７
陽子７・中性子７
金属の性質はとその仕組みは？
金属のは光沢を持ち、展性・延性があり、
電気や熱をよく伝えます。
それらは、自由電子による金属結合で説明できます。
金属結合：たくさんの原子でたくさんの電子（自由電子）を共有する
自由電子
自由電子は
金属の内部を
速いスピードで
動き回っている
金属にくる光を
跳ね返す
金属と食塩との違い：展性・延性
イオン結晶（例：食塩）
分子結晶（例：ヨウ素）
一様な力では結びついていない
結合に強いと弱いがある
→たたくと割れる
等しい力で結合
力
展性、延性
化学変化とエネルギー
よりエネルギーが安定になる方向に反応が進行する
結合の強さ（発熱・吸熱）
化学変化：活性化エネルギー・反応熱
活性化エネルギー
反応熱
反応熱をエネルギーとして利用：石油などの化石燃料
化学変化：触媒の役割
触媒
原油：炭素が２つつながった化合物から
３０程度つながったものまでの混合物
沸点炭素数
低い少ない
液化石油ガス
（LPG)
ナフサ
原油
脱水
常圧蒸留
灯油
ガソリン
化学製品
クラッキング
脱塩
軽油
残油からの重油
高い
蒸留して沸点の近い成分に分けて利用
多い
クラッキング
炭素のつながりの
熱で結合を切る少ない物へ
C C C C C C C C C C C C C
C C C C C C C
C C C C C C
軽油
ナフサ
プラスチックとは？
合成高分子の１つ
高分子：分子量（分子の重さ、大きさ）が 10000 以上
高分子の合成：重合
小さな分子をつなげて大きな分子へ
モノマー
ポリマー
プラスチックの種類：
熱に対する挙動で２つに分けられる。
熱可塑性樹脂：熱で軟らかくなり、冷やすと硬化する。
成形が容易で用途が幅広い
成型
熱
固体（ペレット）
液体になる
熱には弱い
可塑剤：プラスチックに加えることでより成形が容易になる。
多く加えると軟らかくなる。
プラスチックの種類：
熱に対する挙動で２つに分けられる。
熱硬化性樹脂：熱で化学反応が進み、硬化する。
その後熱を加えても軟らかくならない。
熱
成型
原料（液体）
熱に強いが成形は難しい。
硬化
代表的なプラスチック
ポリエチレン・ポリプロピレン・ポリスチレン
ポリ塩化ビニル・ポリエチレンテレフタレート（PET)
全生産量の約75％をこの5つのプラスチックが占めている
汎用プラスチック
価格が安く、大量に使うプラスチック
工業用品、農業用品、日用品など
エンジニアリングプラスチック
熱に強く、強度も高いプラスチック、高付加価値
機械部品（家電製品や携帯電話の内部）などに使われる
プラスチックのリサイクル
プラスチックが出来るまで
石油
ナフサ
モノマー
ポリマー
製品
材料リサイクル
材料リサイクル:化学的変化はさせず再び材料として利用
プラスチックのリサイクル
プラスチックが出来るまで
石油
ナフサ
モノマー
サーマルリサイクル
ポリマー
ケミカルリサイクル
ケミカルリサイクル:化学的変化させて、
ガスやコークスなどの原料として利用
サーマルリサイクル:燃やして燃焼熱を利用
製品
リサイクルの問題点：
エネルギーが必要
石油
ナフサ
モノマー
ポリマー
製品
やはりエネルギーが必要
リサイクルをするには必ずエネルギーが必要
花火はなぜ綺麗な色がつくか？
：炎色反応
花火の色はこれらの金属化合物を火薬に
混ぜることで作られる
炎色反応の原理
金属原子
励起
原子（元の状態）
エネルギー高い
不安定
熱エネルギー
光エネルギー
（原子によって異なる）
鮮やかな色彩
熱エネルギーから光エネルギーへの変換
炎色反応の原理：原子でみると
光
原子を熱すると電子が動く励起
電子がもとに戻る
電子が動いた様子が人の目には色として見える
花火は、なぜ大きな音がするのか？
花火の火薬（黒色火薬）の成分：
硝酸カリウム（KNO3）、炭素粉末、硫黄粉末
火薬の燃焼反応
C + 2 KNO3
CO2 + 2KNO2
火薬は炭素が空気中の酸素ではなく、
火薬の中のKNO3と反応して燃焼する。
花火（火薬）の反応
非常に速い燃焼反応
素早く酸化反応させる
非常に速い C + 2 KNO
NO33
CO2 + 2KNO2
+
熱エネルギー
短い時間で一気に燃えた方が、単位時間（たとえば1秒）
あたりのエネルギーは大きくなる。
単位時間あたりに非常に大きなエネルギー
空気の粒子
運動エネルギー
火薬の燃焼
熱エネルギー
空気が激しく動き・
ぶつかり合う
大きな音（音エネルギー）
爆風
熱エネルギーから運動エネルギーへの変換
水の話
水分子の特徴
小さい分子なのに常温で液体
O
H
H
水（液体）から氷（固体）になると
体積が大きくなる。
d－
O
δー
d＋
● ●
● ●
O
H
H
H
δ＋
δ＋
分極
δー
δー
O
O
H
δ＋
H
δ＋
H
δ＋
H
O
H
δ＋
δー
δー
O
δ＋
δー
水素結合
H
δ＋
H
δ＋
H
δ＋ H
δ＋
O
H
δ＋
気体になる場合には水素結合を切る必要
その分エネルギーが多く必要 → 沸点が高い
水素結合を保ったまま固体になる
（常温で液体）
→ すき間の大きな固体（氷）になる
→ 氷になると体積が大きくなる
水の用途
農業用水・生活用水・工業用水
水の利用の約7割が農業用水
農業用水
食糧生産
日本はたくさん食糧を輸入している
間接的に水を輸入している
バーチャルウォーター
良くもないかもしれないが、悪いことではない
水と環境
農業用水・生活用水・工業用水
使い終われば？
農業排水・生活排水・工業排水
それらによって起こる水環境への影響は？
重金属、有機物による汚染、富栄養化
ちなみに・・
重金属とは密度が大きい（重たい）金属のこと
有機物は好気性微生物が、酸素を使って分解する。
有機物（よごれ）が多いと
分解するのに酸素が多く必要
酸素の少ない水になる
他の水生生物が住めなくなる
嫌気性微生物が働き出す
悪臭の原因
（硫化水素など）
有機物の汚れの浄化：下水処理場
汚れ（有機物を）たくさんの空気（酸素）
を使って人工的に分解させる。
下水：有機物を多く含む
どんどん
空気（酸素）を
送り込む
酸素
☆
好気性
微生物
汚れ
☆
☆
☆
☆
☆
☆
☆
☆
☆
有機物で汚れた水を
☆
☆
☆
☆
☆
☆
☆
好気性微生物が分解してきれいに
活性汚泥法
重金属の処理：「キレート」を用いる
キレートとは配位結合を利用したもの
N
●
●
M
●
●
N
M
配位結合：ひとつの原子が結合に必要な電子を２つとも出す
N
M
⇒
N
●
●
●
●
●
●
N
●
●
N
M
２つ以上の配位結合で
金属を挟み込むキレート
富栄養化
植物の生長に必要な元素：
Ｎ、Ｐ
通常水の中に
これらの元素は少ない
→
しかし・・・
植物プランクトンが増える
N
N
P
N
P
N
P
N
N
P
P
植物
プランクトン
N
P
N
生活排水・農業廃水・畜産排水
などから、
N,Pを含む水が流れ込むと・・
赤潮：周りの水生生物への悪影響
悪臭などの環境悪化
大気の話
地球上の大気：
窒素78％、酸素21％、アルゴン1％、水蒸気1％
、二酸化炭素0.036％
大気中に人工的にそれ以外の物質が多く放出されると
大気環境問題が起こりうる。
大気の汚染：関連する3つの化学・物理的変化
Cm H n
+（m+n/4
) O2
m
+
CO 2
+ n/2
H2 O
燃焼エネルギー（熱）
燃焼熱
C m H n （液体）
F
Cl C
F
Cl
C m H n（気体）
光
F
Cl C ・
F
光によって結合が切れる
・C l
ラジカル
３種類の反応と大気汚染現象との関連
酸性雨・地球温暖化・オゾン層破壊・光化学オキシダント
酸性雨
燃料中に含まれるＳ原子
違い
空気中の窒素原子
SO 2
NO2
H2O
H2O
燃焼熱
SO 2
NO2
H 2 SO 4
HNO3
雲に混じり、酸性の雨が降る原因となる
酸性雨
H2O + CO2
雲の中
H2CO3
雨はもともと弱酸性
そこに、少量のH2SO4やHNO3が混じることでさらに酸性に
酸性雨はｐHが５．６以下の雨を指す。
日本国内で降っている雨はｐH ４．５～４．７程度である。
酸性雨の影響
河川や湖沼が酸性になる
土壌が酸性になる
水生生物への影響
湖沼の酸死
養分が流れ出す
（Ca、Mg）
植物への影響

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