高校化学 Unit 18

不飽和炭化水素

C=C の二重結合があると何が変わる？付加反応・臭素水の脱色・プラスチックの製造まで実際の構造式とともに整理しよう。

⚗️ 付加反応🔵 アルキン🏭 付加重合

アルケンとアルキン

果物を早く追熟させるために使われるエチレンガスは、炭素どうしが二重の手(二重結合)で結びついた「アルケン」という仲間の代表格。二重結合は単結合よりも反応性が高く、そこに他の原子がくっつきやすい(付加反応)という特徴がある。

この「反応しやすい二重結合」のおかげで、エチレンから様々なプラスチック(ポリエチレンなど)を作ったり、臭素水を使って二重結合の有無を調べたり(臭素の色が消える)することができる。

アルケン（CₙH₂ₙ）は C=C 二重結合を1つ、アルキン（CₙH₂ₙ₋₂）は C≡C 三重結合を1つもつ不飽和炭化水素。二重・三重結合の部分に試薬が付加する付加反応が特徴的。

🧪 エチレン・アセチレンとその付加反応生成物の実際の構造式

エチレン CH₂=CH₂
C=C二重結合

アセチレン CH≡CH
C≡C三重結合

1,2-ジブロモエタン
臭素付加後の生成物

図1:SMILES(PubChem実データ)から生成した構造式。エチレンにBr₂が付加すると二重結合が単結合になり、両側にBrが1個ずつ結合した1,2-ジブロモエタンが生成する(臭素水の脱色反応)。

⚗️ アルケンの付加反応

試薬	反応名	例
H₂（水素）	水素付加（還元）	CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃CH₃（Niやプラチナ触媒）
Br₂（臭素）	ハロゲン付加	CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br（臭素の脱色）
HCl（塩化水素）	ハロゲン化水素付加	CH₂=CH₂ + HCl → CH₃CH₂Cl
H₂O（水）	水の付加（水和）	CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH（エタノール生成）
高圧・触媒下	重合（付加重合）	n CH₂=CH₂ → (−CH₂CH₂−)ₙ（ポリエチレン）

💧 アセチレン（エチン）C₂H₂ の特徴

製法：CaC₂（カーバイド）+ H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂
付加反応：H₂, HCl などは2段階で付加できる（H₂O は1分子が付加してアセトアルデヒドになる）
C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO（アセトアルデヒド）→ 工業的に重要
強塩基・アンモニア性硝酸銀溶液と反応 → AgC≡CAg 白色沈殿

❌ よくある誤解

誤:C≡C三重結合は、C−C単結合のちょうど3倍の強さの結合である正:三重結合は単純な比例関係ではなく、σ結合1本+π結合2本からなり、単結合(σ結合1本のみ)より強いがπ結合はσ結合より弱いため、結合エネルギーは単結合の3倍にはならない(実際は約2.4倍程度)

単元3(化学結合)で学んだ多重結合の考え方がここでも活きてくる。多重結合=σ結合の整数倍、という単純な比例では捉えられない。

誤:アルケンへの付加反応では、どの反応でも生成物は1種類しかできない正:非対称なアルケン(例:プロピレン)にHClのような非対称な試薬が付加する場合、マルコフニコフ則により主生成物の割合が決まるが、少量の副生成物(逆向きの付加体)も生じうる

「主生成物」という表現がある場合、それ以外の生成物も少量存在しうることを示唆している。

💡 なぜ二重結合には付加反応が起こりやすいのか? 二重結合はσ結合1本とπ結合1本からできている。π結合は2つの炭素原子の間の空間の上下に電子雲が広がった形をしており、σ結合に比べて原子核からの束縛が弱く、電子が外に露出しやすい。そのためπ結合の電子は反応相手(求電子剤など)から攻撃を受けやすく、比較的容易に切断されて新しい原子(HやBrなど)と結合を作る(付加反応)。単結合(σ結合のみ)にはこのような反応性の高い部分がないため、アルカンは付加反応を起こさない。

付加重合と天然ゴム

レジ袋やペットボトルのキャップに使われるポリエチレン、パイプや電線の被覆に使われるポリ塩化ビニル(PVC)…これらのプラスチックは、エチレンや塩化ビニルといった小さな分子(モノマー)の二重結合が次々に開いて手を繋ぎ、鎖のように長く連なることで作られている。この反応を付加重合という。

タイヤに使われる天然ゴムも、実はイソプレンという二重結合を2つ持つ小さな分子が、何千個も繋がってできた天然の高分子である。

付加重合は不飽和結合が次々と付加して高分子を形成する重合反応。天然ゴムはイソプレン（2-メチル-1,3-ブタジエン）の付加重合体。合成ゴムも同様の原理。

🧪 代表的なモノマーの実際の構造式

プロピレン
→ポリプロピレン(PP)

塩化ビニル
→ポリ塩化ビニル(PVC)

スチレン
→ポリスチレン(PS)

イソプレン
→天然ゴム

図2:主要な付加重合モノマーの構造式(PubChem実データ)。いずれも二重結合を持ち、この部分が開いて次々と連結することで高分子(ポリマー)になる。

🏭 主な付加重合体

モノマー	ポリマー	用途
エチレン CH₂=CH₂	ポリエチレン（PE）	包装フィルム・容器
プロピレン CH₂=CHCH₃	ポリプロピレン（PP）	繊維・容器
塩化ビニル CH₂=CHCl	ポリ塩化ビニル（PVC）	パイプ・電線被覆
スチレン C₈H₈	ポリスチレン（PS）	発泡スチロール
テトラフルオロエチレン CF₂=CF₂	PTFE（テフロン）	フライパンコーティング

❌ よくある誤解

誤:天然ゴムはイソプレンという単純な小分子そのものであり、伸び縮みするのはイソプレン分子自体の性質である正:天然ゴムはイソプレンが数千〜数万個連なった高分子(ポリイソプレン)であり、この長い鎖状分子が絡み合った構造こそがゴム弾性(伸び縮みする性質)の原因である

ゴム弾性は「長い鎖状分子が伸ばされると一時的にまっすぐになり、力を除くとまた絡み合った状態(エントロピーが高い状態)に戻ろうとする」という高分子特有の性質(単元23,24と関連)。

誤:付加重合では、モノマーどうしが結合する際に小さな分子(水など)が同時に放出される正:付加重合では二重結合が単に開いてモノマーどうしが直接繋がるだけで、水などの副生成物は生じない。これは、副生成物(多くの場合水)を放出しながら結合する縮合重合(単元24)とは異なる特徴

「付加重合=何も失わずにそのまま繋がる」「縮合重合=繋がる際に小分子が抜ける」という違いは、高分子化合物の単元全体を理解する上で重要な区別になる。

💡 なぜ付加重合ではモノマーが次々連結できるのか? 重合が始まると、成長している鎖の末端に、まだ反応していない不安定な部分(ラジカルやイオンなど)が生じる。この末端の反応性が高い部分が、次のモノマー分子の二重結合を攻撃して新しい結合を作ると同時に、また新しい反応性の高い末端が生まれる。この「反応→新しい活性末端の生成」というサイクルが連鎖的に繰り返されることで、モノマーが次々とつながり、非常に長い高分子鎖ができあがる。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ アルケンの一般式

アルケンの一般式は CₙH₂ₙ である。炭素原子の数が4のアルケン1分子にふくまれる水素原子は何個か。

答えを見る

答え8個

2n に n = 4 を代入する。

問2 ★ アルケンの反応

エチレンに臭素を作用させると、二重結合の部分に臭素原子が結びつく。このような反応を何というか。

答えを見る

答え付加反応

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br。

問3 ★★ 不飽和結合の検出

次の気体のうち、臭素水に通すと臭素水の色が消えるものはどれか。

アメタン
イエタン
ウエチレン

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答えウ

C=C 結合に臭素が付加するため、臭素の色が消える。

問4 ★★ 重合

多数のエチレン分子が、二重結合を開きながら次々に結びついてポリエチレンができる。このような反応を何というか。

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答え付加重合

n CH₂=CH₂ → (−CH₂−CH₂−)ₙ。

問5 ★★ アセチレンへの付加

アセチレン CH≡CH 1 mol に付加することができる水素 H₂ は、最大で何molか。

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答え2 mol

三重結合には、付加が2段階起こる。CH≡CH → CH₂=CH₂ → CH₃−CH₃。

問6 ★★★ ポリエチレンの分子量

エチレン（分子量28）が1000個付加重合してできたポリエチレンの分子量はいくつか。

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答え28000

付加重合では何も取れないので、分子量は 28 × 1000。

✅ この単元のまとめ

アルケン CₙH₂ₙ：C=C 二重結合。付加反応（H₂, Br₂, HX, H₂O）が起こる
臭素水の脱色：C=C の存在を確認する試験
アルキン CₙH₂ₙ₋₂：C≡C 三重結合。アセチレン C₂H₂ が代表
C₂H₂ の製法：CaC₂ + H₂O
付加重合：不飽和モノマー → 高分子（PE, PP, PVC など）、副生成物なし
天然ゴム：イソプレン（C₅H₈）の付加重合体；加硫（硫黄架橋）で弾性・耐久性が向上

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