第５回 東三河サイエンスカフェ 記録
2007年12月6日 開催
生活を支える触媒の化学
−使っても減らない不思議な物質−
井上 孝志 先生
司会挨拶
司会より、非常時の対応等諸注意、本カフェのすすめ方説明、
ゲストスピーカーの紹介を行ないました。
なお、開始前には、司会が出張先の弥彦（新潟県）で撮ってきた、
紅葉の模様のスライド・ショーを紹介しました。
【１８：３０開始】
基調スピーチ
井上先生は、パワーポイントを使用しながら、
化学実験の実演、さらに、参加者各自が行なう実験を含め、
３５分ほどのお話しをしてくださいました。
以下は、同スピーチの内容をまとめたものです。
スライド資料（図表等）は、先生よりご提供いただいたものです。
これらスライドの著作権は、井上先生にあります。
当日のスライド資料は、このほかにもたくさんありましたが、
その一部のみ掲載しております。
なお、著作権の関係で、一部スライドの内容を変更して掲載しています。
挨拶。
表題にありますように、触媒のお話しをしたいと思います。
最初に結論を言ってしまいますと、
触媒とは化学反応の反応速度をあげるもので、少量でも働く、というものです。
我々のからだのなかでも、さまざまな化学反応がおこっておりますが、
それでは、その化学反応の速さ、反応速度を決めるのは、いったい何でしょうか。
化学反応というのは、物質と物質が接触し、ぶつかりあったものが結合するなど、
なにがしかの新しい物質に変化する、というものです。
したがって、化学反応が起こるには、物質と物質が接触する必要があります。
そして、その物質の接触のために必要な、物質の運動は、
物質のもつ熱による運動が主になります。
この図のように、熱を加えると、運動、動きが活発になり、
まわりのものとぶつかる、接触する回数が多くなります。
回数が増えれば、反応が起こる可能性も高くなります。
さらに、ただぶつかりさえすれば、反応が起こるということではありません。
ある一定以上の激しさをもってぶつからないと、反応は起こりません。
教科書などでは、よくこういう図で示します。
エネルギー図というもので、Ａ、Ｂふたつの物質が反応して、
Ｃ、Ｄふたつの物質になるには、
この図のように、途中、峠のような状態が存在します。
この峠を越えられるほどの激しさでＡとＢが衝突すれば、
反応が起こり、ＣとＤができるわけです。
それだけの激しさがないと、ＡとＢが接触しても、反応は起こりません。
この峠の頂上、活性化状態といいますが、
そこまでいかないと、反応は起こらないのです。
そこで、そのエネルギーの峠ごえを手助けするのが触媒です。
触媒は、（１）少量存在するだけで、
（２）化学反応を著しく促進したり、
（３）特定の反応だけを起こしたりする物質で、
（４）反応前後でほとんど変化しないもの、
と定義されています。
触媒について研究されだしたのは、化学の研究の長い歴史のなかでは、
比較的最近で、ほんの２００年ほど前です。
こちら、スウェーデンのベルセリウスという人が、
触媒という言葉を最初に使った人です。
こちらは、ドイツのオストヴァルトという人で、
オストヴァルト法という硝酸の製法でよく知られています。
それでは、触媒の働きを、実際に実験を行なって、
見ていただきましょう。
今から行なうのは、時計反応とよばれるものです。
……。
物質の濃度などの条件で、反応時間がきまるもので、今ご覧いただいたように、
物質をまぜあわせると、しばらくして、一定時間たってから反応が起こります。
反応が起こると、さっと色が変わるため、とてもわかりやすい実験で、
学校の授業でもよく行なわれるものです。
次に、この時計反応を、条件を変えて行なってみます。
まず、温度をかえてみます。
先ほどの２種類の溶液の入った試験管を、
あらかじめ、冷水にいれて、よく冷やしておきました。
これを混合します。
……。
そうすると、温度が低いですので、物質の運動がはげしくありませんから、
物質のぶつかる回数も、ぶつかる時のエネルギーも小さいため、
反応が進むのに時間がかかります。
やっと、色が変わりましたね。
今度は、お湯にいれて、温めておいた方です。
こう混ぜますと、……、ほら、すぐ変わりましたね。
このように、温度によって、反応の速度がまったく違うことがわかります。
温度のほかに、濃度、溶液の濃度によっても、反応速度は変わります。
さらに、触媒によっても、反応速度が変わります。
それでは、実験道具を用意してきましたので、
触媒による速度の違いを確かめる実験を、
みなさんに、実際にやっていただきましょう。
これは、普段、わたしが学校の授業でもやっている実験です。
こういう実験をマイクロスケール実験といったりもします。
２人一組で実験を行なっていただきます。
……。
各組に、ビーズケースと、Ａ液、Ｂ液、水、塩酸をお配りしました。
それでは、まず、練習の実験を行ないます。
この図にあるように、１番と２番のセルにＡ液を２０滴ずつ入れてください。
その後、おふたりがそれぞれＢ液をもって、同時に、
１番と２番にＢ液を入れてください。
そして、その反応の速度を見比べてください。
……。
１番、２番とも同じぐらいの時間で色が変わったはずです。
次の実験のためのＢ液を配ります。
……。
次の実験は、Ｂ液の量で反応速度がどう変わるか、というものです。
３番と４番にＡ液を２０滴ずつ入れてください。
その後、先ほどと同じように、Ｂ液を同時に入れてください。
今回は、Ｂ液の量が半分と全部というように量が違いますので、
その反応速度の違いに注目してください。
……。
あ、そうか、この実験はちょっとまずかったですね。
３番と４番でＢ液の量を違えているのですが、
Ｂ液、後から加える溶液の全量をそろえておかないといけなかったですね。
Ｂ液半分の方にＢ液と同量の水を加えて、
３番と４番とＢ液側の液量をそろえておかないといけなかったですね。
すみませんでした。
最後に、触媒の働きをみる実験を行ないます。
まず、５番にＡ液２０滴と水５滴、６番にＡ液２０滴と塩酸５滴を入れてください。
これで、Ａ液側はともに同じ液量ですね。
その後、Ｂ液をおふたり同時に入れてください。
……。
どうですか。
塩酸が入っている方が、すごく速く反応が起こったと思います。
実験は、以上です。
それでは、器具を回収しましょう。
ここからは、触媒がどのようにして働くのか、
というのをお話ししていこうと思います。
先ほどのエネルギーの峠ごえの図です。
この峠の高さ、活性化エネルギーといいますが、
触媒は、この活性化エネルギーの高さを変える働きをもっています。
活性化エネルギーの高さ、峠の高さが低くなれば、
低い温度や薄い濃度であっても、反応が進んでいくようになります。
それでは、なぜ峠が低くなるのか、ということです。
触媒というのは、反応の途中で、必ず、物質と何らかの作用をしています。
例えば、この図の場合、この触媒は固体で、
その周辺にある液体や気体の物質の反応を促進する例です。
もともと分子としてあった物質が、触媒の表面にくっつきます。
そうすると、触媒との結合のために、分子の方の原子間の結合が乖離します。
その結果、物質は、触媒の表面に固定されること、
原子単独の状態になること、の二点で、触媒がないときより、
反応しやすい状態になるわけです。
このような固体の触媒を使った例として、白金懐炉があります。
タンクにはいっているベンジンが気化して、
触媒である白金のところにやってきます。
そこで起こる反応は、火の出ない燃焼反応です。
先ほどの図のように、
触媒である白金の表面で、気化したベンジンと空気中の酸素との、
燃焼反応が起こるわけです。
これは、より詳しく示した図です。
懐炉の白金のところに、空気中の酸素分子と、
気化したベンジンの炭化水素分子がくっついて、
くっついたことによって、より反応しやすくなった酸素と炭化水素が反応し、
二酸化炭素と水に変化します。
触媒として働いているものは、身のまわりにたくさんあります。
数え切れないほどあります。
人の体のなかにもあります。
この図にあるような、酵素もそのひとつです。
これは燃料電池の仕組みの図です。
この燃料電池の反応を、効率的に促進するような触媒の研究が進められています。
また、環境破壊を防ぐ触媒もたくさんあります。
みなさんご存じのように、排気ガスをきれいにするのに、
触媒が用いられています。
燃料の段階でも、窒素や硫黄を除去するために、触媒が用いられています。
ほかにも、触媒を利用した製品は身近なところにたくさんあります。
触媒ヒーターというのは、日本ではあまり使われませんが、
ヨーロッパでは広く利用されています。
グリル内部の触媒塗装、オーブンや電子レンジで、内部の壁面が汚れにくい、
というのがありますが、これは、有機物を分解する触媒を内部に塗ってあって、
油汚れが飛び散っても、触媒によって、二酸化炭素と水に分解してしまう、
というものです。
生ゴミ臭除去は、
電気的にオゾンを発生させてにおいをとる、というのもありますが、
生ゴミのにおいを分解する触媒を用いているものもあります。
石油ストーブの完全燃焼、これは、
不完全燃焼ででる一酸化炭素を二酸化炭素にする触媒です。
電気コタツの脱臭は、先ほどの生ゴミの脱臭と同じ原理です。
オゾン式脱臭・消毒器の残オゾンの分解にも、触媒が使用されています。
トイレなど、オゾンの強力な脱臭効果を使用しているものが多いのですが、
オゾンそのものは人体にはよくありませんので、
残存オゾンの分解に触媒が用いられています。
触媒栓式蓄電池というのは、車のバッテリーですが、
バッテリー液の補充をしなくてよい、というものです。
従来のバッテリーでは、充電時に、水素が発生してしまい、
その分バッテリー液が減って、補充しないといけなかったのですが、
その水素を水に酸化する触媒を用いることによって、
発生した水素をバッテリー液にもどしているわけです。
ガス検知器、これは可燃性のガスが触媒に付着すると、
先ほどの懐炉のように燃焼反応が起こり、熱が発生しますので、
それを検知して、ガスの発生をチェックするというものです。
これは、最近話題になっている光触媒の仕組みの図です。
この図のように、酸化チタンという物質が、
懐炉の白金のような役割をしているのがおわかりいただけると思います。
これは、光触媒が用いられている例ですが、
高速道路の防音壁、
これは排気ガスの浄化や防音壁自体の汚れ防止に用いられています。
また、光触媒は水となじむ性質がありますので、車のミラーに塗っておけば、
水の薄い膜ができて、表面に水滴がつきにくく、見やすい、という効果があります。
冷蔵庫では、野菜や果物のだすエチレンガスを分解し、
鮮度保存に利用されています。
ご静聴ありがとうございました。
コーヒーブレイク
ここで、参加者全員に飲み物とお菓子のサービスをしました。
語らい
基調スピーチをうけて、
４５分ほど、参加者一同の語らい（議論）の時間をもちました。
以下は、語らいで出された意見などをまとめたものです。
最初にみせていただいた時計反応は、どういう反応が起こって、
あのような色がでてくるのですか。
ヨウ素でんぷん反応です。
時間がたって、ヨウ素ができてきた時、発色しています。
先生はご存じなかったというお話しでしたが、
わたしは、小学校低学年の頃、白金懐炉を使っていました。
車のミラーに光触媒が使われている、というのに驚いたのですが、
光触媒ということなら、夜は光があたらないから、だめなのですか。
はい、光があたらないだめです。
夜とか曇りなど、光があたらない時は、
親水膜を形成しませんので、だめですね。
曇りや雨の日がだめでは、水滴で見にくくなるのを防ぐ、
という目的とあわないような気がしますが。
おっしゃるとおりで、光触媒は紫外線があたらないと機能しませんので、
わたしも奇妙だなと思い、いろいろと調べてみたのですが、
新しい研究では、不純物を混ぜることで、
蛍光灯などの光でも機能する光触媒が出てきているようです。
エンジンの過給器も、触媒ではないのですが、考え方は似ているのかな、
と思いながら、お話しを聞いていました。
白金懐炉世代です。
最近のレアメタルのリサイクルというニュースで、白金も貴重な資源だ、
ということを言ってましたが、
白金以外にも触媒として用いられているレアメタルというのはありますか。
ロジウム、ルテニウムなどがありますね。
金属によって、それぞれくっつきやすい物質が違いますので、
いろいろな金属が触媒として利用されています。
アンモニアを合成する時には、鉄が用いられます。
そうすると、トイレの脱臭に使用されているのも、鉄ですか。
いえ、アンモニア臭だけでなく、
いろいろなにおいを脱臭しないといけませんので、
一般にオゾンを使用した脱臭だろうと思います。
白金懐炉でなく、使い捨てのカイロも、触媒を使用しているのですか。
また、以前のものは、強くもまないといけなかったのですが、
最近のものは、何もしなくてもあったかいですね。
はい、使い捨てカイロも触媒作用をフルに活用しています。
また、使い勝手がよくなっているのも、
化学反応に関わる部分での研究の成果です。
光触媒というものは、
いったいどういうところから発想されてきたのでしょうか。
ここまでのお話しでは、光触媒には金属を利用しているようですが、
自然の、植物などに由来するものを利用したりはしていませんか。
活性炭の脱臭作用などが思い浮かんだのですが。
二酸化チタン自体は、めずらしいものではなかったんです。
昔から白い絵の具、塗料に使用されていたものですから。
先日、リチウム電池を分解した【注意：危険ですので、
電池の分解等を行なってはいけません。】のですが、
中の金属プレートが、こんな風に真っ白になってしまったんですね。
ご興味ありましたら、先生、どうぞお持ちになってください。
この金属プレートの組成を調べてみたいですね。
電池にもさまざまな触媒が使われています。
愛知万博の巨大万華鏡の壁には、光触媒が使われていたようですね。
建材に光触媒を使用して、省エネにも活用しようという動きもあるようです。
世の中にこんなにたくさん触媒があるとは知りませんでした。
触媒といえば、小学校の頃の実験で見た二酸化マンガンの印象が強いです。
触媒というのは、いったいどれくらいあるのですか。
数え切れないほどです。
人体にも、触媒、酵素がいっぱいですから。
また、これからも見つかってくると思います。
金属でなく有機物の触媒ができてきた、
というニュースをみた記憶があるのですが。
酵素は有機物です。
ただ、これまで酵素のような大きな化合物をうまく扱えなかったのですが、
研究が進んできて、
そうしたものも合成できるようになってきたということでしょう。
錬金術にも触媒が用いられていたという話しを聞いたことがあります。
今日のお話しを聞いていますと、新しい触媒を発見すれば、
一攫千金も夢ではないようですね。
前回、前々回の数学の話題の時は、予習をしてきにくかったのですが、
今回は少し予習をしてこれました。
酵素が触媒の一種であることを知って、
触媒に対するイメージが少し違ったものになりました。
排気ガスの浄化を行なう触媒は、その車に長く乗っていると、
性能が落ちたりするのでしょうか。
少しずつ浄化する力は、落ちていきます。
理由はいろいろあります。
例えば、排気ガスのなかに硫黄がはいっていますが、
その硫黄が白金の表面について、
ふたをしてしまうような状態になっていきます。
そうすると、触媒としての機能は劣化してしまいます。
また、白金を細かくちりばめて表面積を大きくして、
触媒効果を高めているのですが、排気ガスの熱によって、
その細かくちりばめられていたものが集まってしまい、
その結果、触媒効果が低下する、ということもおこります。
光触媒も同じように劣化するのですか。
いくつか文献を調べてみたりもしたのですが、
資料によって、書いてあることが違っていたりするんですね。
おそらく、まだまだ研究中ということなんだろうと思います。
湿式の太陽電池、
チタンと酵素を使うというのを聞いたことがありますが。
燃料電池と太陽電池を組み合わせ、
水の分解のサイクル化を行なった、
効率的なエネルギーシステムに期待しています。
豆腐を固めるにがりの働きや、こんにゃくを固めるのなどが、
触媒に似ているなと思ったのですが。
豆腐をかためるのは、塩析という作用を利用していて、触媒とは違います。
こんにゃくを固めるのも、硫酸カルシウムでしたか、
カルシウムイオンの働きでタンパク質を固めるもので、
触媒とはちょっと違いますね。
お酒をつくるときの発酵は、触媒ですか。
はい、お酒をつくるときは、酵素が触媒として働いています。
ただ、ほかの微生物などもいっしょに働いていますので、
酵素の触媒作用だけ、というわけではありません。
先生、せっかくご用意いただいた実験があるようですので、
見せていただけますか。
それでは、振動反応というのをやってみましょう。
３種類の溶液を混ぜ合わせます。
……。
（ビデオ(Windows Media Player 用:2MB)へ）
えー！ 色が変わるんですね。
はい、溶液を振動させるのではなく、反応して、
状態が振動する、この場合はそれが色で分かりますが、という反応です。
この振動は永遠に続くんですか。
数分間だけです。
愛知万博のゴンドラで、住宅地域の上を通る時だけ、ガラスに色がついて、
まわりが見えにくくなるようになっていましたが、あれは、これですか。
いえ、あれは液晶を使っているんだと思います。
この振動反応にも触媒が関係しています。
ここにヨウ化カリウムを加えますと、振動の周期が変わります。
……。
遅くなりましたね。
これは、加えた触媒によって、反応の速度が変わった、ということです。
これは、いったい何が起こっているのですか。
この色自体は、ヨウ素でんぷん反応の色です。
振動しているのは、ヨウ素の方で、ヨウ素分子になったり、
ヨウ化物化合物になったりして、
でんぷんとの反応がでたり消えたりしているわけです。
何と何を混合したんですか。
オキシドールと、ヨウ素酸カリウム、でんぷん、マロン酸です。
先に行なった時計反応の実験は、何と何を混合したんですか。
Ｂ液は、オキシドールです。
Ａ液は、ヨウ化カリウムと、
チオ硫酸ナトリウム、ハイポと呼んでいるものです。
オキシドールというのは、オキシフル、傷口の消毒に用いるものですか。
はい、そうです。
傷口にオキシドール、過酸化水素水をつけると、タンパク質が触媒となって、
酸素が発生します。
その酸素や過酸化水素で消毒しているわけです。
みなさんに、アンケートを記入していただいている間に、
先生に、もうひとつご用意いただいている実験を見せていただきましょう。
それでは、これも触媒が関係する反応ですが、ルミノール反応というものです。
ルミノール反応というのは、刑事ドラマやアニメに必ず出てくる、
犯罪捜査のあれですか。
はい、そうです。
血痕の鑑識に使うものです。
血液に入っている鉄分に反応するものです。
発光するのですが、弱い光ですし、すぐに消えてしまいますので、
電灯を消していただけますか。
……。
おー！ あ、すぐに消えるんですね。
警察が調べるときも、今のようにすぐに消えてしまうのですか。
はい、そうです。
ただ、蛍光物質を混ぜ合わせたりすることで、発色はよくしていると思います。
一回発色してしまうと、二度と光らないのですか。
そうすると、鑑識としては困りそうですが。
鉄は触媒側ですので、鉄を削り取るなりなんなりして、鉄がなくならない限り、
何度でもルミノール反応は起こります。
司会挨拶
司会より、アンケート記入の依頼、同回収、閉会の挨拶を行ないました。
【２０：００終了】
付録
本カフェにでてきた、
いくつかの実験に関する詳しい資料へのリンクをあげておきます。
いずれも、ほかにたくさん資料がありました。
ここでは、それぞれひとつだけにしておきます。
- 振動反応：
公的機関のビデオ教材ということで、
(独)科学技術振興機構「理科ネットワーク＜一般公開版＞」さんのものです。
ヨウ素デンプン反応を使った振動反応実験（ＪＳＴ理科ネットワーク）
- ルミノール反応：
ルミノール（フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』）