アルコールは、1 つ以上の飽和炭素原子に結合したヒドロキシル基 (OH) を持つ有機化合物です。炭素原子に OH 基が 1 つだけ結合している場合はモノアルコールになりますが、炭素原子に OH 基が 2 つ以上結合している場合はポリアルコールになります。
このタイプの構造により、アルコールは、ガソリンへの添加剤としてのエタノールの役割など、一部の分野での使用に非常に重要な物理的特性を備えており、この化石燃料を燃焼させるときに放出される汚染物質の排出量を削減します。
この用途やその他の用途を理解するために、アルコールの主な特性を見てみましょう。
- 分子間力:アルコール分子は水素結合を通じて互いに引き付けられます。存在する最も強力なタイプの分子間力です。
水素結合は、水素原子が強い電気陰性元素であるフッ素、酸素、または窒素原子と結合すると発生します。アルコールの場合、水素は酸素と結合します。
以下に水中で起こる水素結合を示します。
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アルコールの分子相互作用のこの強さは、溶解度、極性、融点、沸点などのアルコールの他の特性を説明します。
- 融点と沸点:アルコール分子が互いに形成する水素結合は非常に強い静電力であるため、融点と沸点は高くなります。したがって、この結合を断ち切るには多大なエネルギーが必要になります。
モノアルコールは、OH 基が多いほど水素結合が多くなるため、ポリアルコールよりも沸点が低くなります。
興味深い点は、95% のエタノールと 5% の水とを混合すると共沸混合物が形成されることです。これは、海上では沸騰温度が 78.15 °C で一定のまま、沸騰時に純粋な物質のように挙動することを意味します。混合物全体がガス状態になるまで、レベルを上げます。水とエタノールの沸点は、海抜ゼロメートルでそれぞれ 100℃ と 78.3℃ です。
この混合物を単純な蒸留で分離することはできず、生石灰 (CaO) を加えて水と反応させ、エタノールに不溶な消石灰を生成する化学プロセスが必要です。あとは濾過を行うだけです。
- 極性:アルコールには、分子の極性部分 (OH 基を持つ部分) と非極性部分 (炭素鎖) があります。
鎖内に炭素原子がほとんどない分子は極性になる傾向があります。しかし、炭素鎖が増加すると、非極性になる傾向があります。さらに、ポリアルコールはモノアルコールよりも極性が高くなります。
- 溶解度:短鎖アルコールは極性傾向が大きく、その分子が水分子と水素結合を形成するため、水に非常によく溶けます。
炭素鎖のサイズが大きくなり、非極性傾向が増すにつれて、アルコールは水に不溶になります。鎖に 4 または 5 個の炭素を持つモノアルコールは、水にほとんど溶けません。ただし、ポリアルコールには、水分子と水素結合を形成するヒドロキシルがより多く含まれています。したがって、ポリアルコールの炭素鎖が長くても、ヒドロキシル基が多ければ多いほど、水への溶解度は高くなります。
前項で示したエタノールには極性部分と無極性部分があるため、極性である水にも、無極性であるガソリンにも溶けます。すでに述べたように、エタノールがガソリンの添加剤として使用できるのはこのためです。
また、エタノール燃料は組成中に一部水分を含んでいます。私たちが防腐・消毒剤として使用する70％エチルアルコールは、エタノール70％と水30％を含んでいます。エタノールは水素結合により水に無限に溶けます。
- 物理的状態:炭素数 12 以下のモノアルコールは液体です。それ以上はしっかりしています。炭素数 5 以下の多価アルコールは液体、炭素数 6 以上の多価アルコールは固体です。
ヒドロキシルの数が増加すると、アルコールの粘度は増加します。
- 密度:ほとんどのモノアルコールは液体の水よりも密度が低くなります。例を挙げると、アルコールの密度は 0.79 g/cm 3ですが、水の密度はそれより高くなります (1.0 g/cm 3 )。
比較として、氷の密度は 0.92 g/cm 3で、アルコールよりも密度が高くなりますが、水よりは密度が低くなります。角氷が水に浮きますが、アルコール飲料に入ると沈むのはこのためです。
また、ポリアルコールは水よりも密度が高くなります。
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