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ベリリウム(Be)・ホウ素(B)


 どうもこんばんはライネです。
 今日は、リチウムの次に入るベリリウムとホウ素について見ていきます。

 この3つの元素は、一般に数が多いハズの軽い(陽子・中性子が少ない)元素の中でも、
 不思議と数の少ない元素なのだそうです。

 まあ、少ないと言っても、比較するのが全ての生物の元となっている炭素や、
 地球表面の7割を占めている水(水素・酸素)などなど、
 多いものはあまりに一般的なもので、わずかに手に入れる分にはあまり難しくない様です。


 実際にリチウムは携帯電話の電池の中に、ベリリウムはちょっと高いスピーカーに、
 ホウ素は耐熱ガラスに使われているそうです。
 なお、先生の家では、いたるところにホウ酸団子が設置されています。

 ちなみに、このような比較的数の少ない元素(金属)を
 「レアメタル(希少金属)」と呼んでいるそうです。 


 レアになってしまったのには、作られにくさと壊れやすさに大きな原因があるらしく、
 例えばホウ素の次に重たい炭素は、陽子が6個なのでヘリウムの原子核が3つ集まれば作れます。
 炭素にさらにヘリウムを加えれば、陽子が8個の酸素もつくれるのだそうです。

炭素や酸素とヘリウム原子核

 一方で、ベリリウムは陽子の数が4個、つまりヘリウムが2つ集まれば作れそうなものなのですが、
 どういう訳か、ヘリウム2つからなるベリリウムは安定しないのだそうです。

ベリリウム9

 ちなみに、安定するベリリウムは「ベリリウム9」というものです。
 どういう理屈で安定する元素があるのかについて調べてみたのですが、
 どこを見ても、ただ「安定する」としか書かれておらず、痒いところに手が届きませんでした。


 おそらくですが、この原因はそもそも「原子核が安定するかどうか」という話が、
 すでに化学の分野ではなく、物理学の分野だからだと思います。 
 ということでちょこっとだけ物理学の話を調べてみたら、
 「陽子と中性子をひとつにまとめる力」というものがありました。

 どうやら「強い相互作用(強い力)」というものが原因のようです。
 なお、「なんで原子核が安定してるんだ」という疑問をうまい具合に説明(予想)したことで、
 湯川秀樹さんは、日本で初めてノーベル賞をもらうことになったそうです。

 
 そこそこ調べてはみましたが、こちらは物理学の説明になってしまうので、
 しばらく放置していくことにします。
 物理学の宿題が増えてしまった・・・。
  

放射性炭素年代測定とは?


 どうもこんばんはライネです。
 今日は炭素のお話しです。

 まず、炭素の同位体から見てみましょう。
 炭素は6番目、つまり陽子が6個、電子も6個の元素です。
 そして中性子の数が6個と7個の場合は安定するそうです。

炭素の同位体

 ちなみに中性子が8個の炭素、「炭素14」は自然界に非常にわずかに存在する
 不安定な同位体なのだそうです。
 自然界に存在する不安定な同位体としてはこれまで三重水素なんかがありましたが、
 これらは原子によって差はありますが、放射線を出して他の原子に変わっていくそうです。
 実はこれがなかなか使えるポイントでして、年代測定に役立つそうです。



 地球上のほとんどすべての生物は炭素を原材料に作られているそうです。
 これについてはまたの機会に詳しく話していく予定なのですが、
 私たちは常に、ご飯を食べるという形で炭素を取り込んで自分の身体を作り、
 呼吸をすることで、二酸化炭素の形で炭素を排出しているわけです。

 いわば私たちの体を、炭素は常に風のように通り抜けているというわけです。
 なので、私たちの身体を出入りしている炭素は、
 ほとんどそのまま、自然界に存在している炭素の同位体の比率と一緒になるそうです。
 ということは、私たちの体の中にある炭素の同位体の比率は、ほぼ常に一定であるわけです。

炭素の収支
 
 ところが、私たちは死んでしまうと、もちろんご飯を食べることもできないし、
 呼吸をすることもできません。
 死んだ身体が火葬されたり、土の中に埋められて分解されてしまうと、
 私たちの身体だった炭素が再び、植物が光合成をして取りこまれてしまうわけですが、
 もしも仮に一部でもそのまま残っていたとしましょう。

 すると、出入りしなかった炭素の中で、唯一炭素14だけが、長い時間をかけて
 放射線をわずかに出しながら他の原子に変わっていくわけです。
 取り込まれた炭素14のうち、半分が他の原子に変わる時間は5730年だと言われています。

放射性炭素年代測定

 つまり、「生物の遺骸の中に含まれている炭素の中から、どれだけ炭素14が減っているか」
 を計測することで、この生物は死んでからどれだけ経っているのかが計測できるという訳です。
 これを「放射性炭素年代測定」、もしくは「C14年代測定」と呼んでいます。

炭素は何故生命の材料になれたのか


 どうもこんばんはライネです。
 昨日は炭素が生物の材料になっているという話を少ししましたが、
 化学的に見てみると、「そうなってしかるべき」理由があるようです。

 詳しくはこの後説明しますが、
 その理由とは炭素は「色々な元素と仲良くなれる力」が強いからなのだそうです。


 では順を追って説明しましょう。
 「元素(もしくは原子)」として、これまではそのものを単独で見てきたので、
 説明を省いていましたが、一部の元素を除くと単独で存在しているものは珍しいようです。

 例えば水素とヘリウムなのですが、電子だけに注目してみるとこんな感じになっています。

水素とヘリウム

 水素は電子の空席が1つ、ヘリウムには電子の空席はありません。
 特に一番外側にあたる場所において、空席がある状態というのはちょっと不安定なのだそうです。

 ゆえに、水素は水素同士がくっついたり、他の元素とくっ付いたりして、
 電子の空席を埋めようとする性質があるのだそうです。
 一方、ヘリウムはすでに単独で空席が無い状態なので、一匹狼でもへっちゃらなのだそうです。

水素とヘリウム2

 さて、では炭素がどうなっているか見てみると、
 炭素は6番目の元素ですので、陽子と電子は6こづつあります。
 電子のうち、2個は内側の軌道に入るので、一番外側の電子は4つあるわけです。

炭素

 そして、以前説明したように、その場所に入ることのできる電子の数は、
電子の数と距離
 なので、2番目に遠い電子の軌道には8個まで入ることになるわけです。
 よって、炭素の一番外側の電子は4個、そして空席も4個と言うことになります。


 この空席4個というのが実に都合の良いものなのだそうです。
 例えば、炭素同士で集まろうとした場合・・・

炭素のつながり

 ちょっと考えただけでもこんな繋がり方ができるわけです。
  ※実際にはこの話は3次元体で起きているので、作れないものもあります。


 他の元素を含めると、この関係は尋常じゃないくらい増えて、
 現在およそ2000万種類以上見つかっているそうです。

 それだけ多く変化する可能性がある炭素だからこそ、生命の材料に適していたと言う訳です。
 

窒素(N)


 どうもこんばんはライネです。
 今日は7番目の元素、窒素について見ていきます。

 実は空気中のほとんどの物質が窒素なのだそうです。
 私の感覚では、空気を吸わないと「窒息」するので、これが重要なのだと思っていましたが、
 むしろ重要なのは8番目の元素である酸素で、窒素だけだと窒息するのだそうです。
 それだけだと窒息してしまうので窒素と呼ばれているのだとか。

 酸素だけでも身体には良くないどころか、毒なのだそうですが、
 窒素もそれだけでは死んでしまいますが、身体には無くてはならないものなのだそうです。


 ただし、空気中にこれだけたくさんある窒素ですが、
 吸い込んだだけでは体内に取り込むことができないのだそうです。
 
 以前、混合農業の説明をしていた時に、
 「豆科の植物の根についている菌には窒素を取り込む力がある」と書きましたが、
 実は空気中の窒素を生物が吸収しやすい形に変えることは、菌しかできないのだそうです。
  ※詳しくは三圃式農業とフランドル農法を参照してください。
 
 そうやって植物に取り込まれた窒素を、動物が食べて、それを私たちが食べることで、
 身体の中に窒素を取り込んでいると言う訳です。

窒素のサイクル


 けれども、せっかく取り込んだ窒素ですが、これはおしっこの形で放出されるそうです。
 夏場のトイレ掃除を怠ると、とんでもなく嫌な臭いになりますが、
 どうやらこれは窒素のせいなのだそうです。

 とはいえ、空気中の窒素は嫌な臭いもなにもしません。
 私たちの身体は、窒素を尿素という物資に変換して身体の外に出しているらしいのですが、
 この尿素が温められると、「アンモニア」と呼ばれる物質になるらしく、
 あの強烈なにおいの正体はアンモニアなのだそうです。


 ちなみに、こうやって身体の外に出た窒素を含むアンモニアなどは、
 再び菌類に分解されて植物に取り込まれるようです。
 

ハーバー・ボッシュ法とは


 どうもこんばんはライネです。
 さて、今日は漫画の話をしつつ、窒素の利用について見て行こうと思います。
 参考文献は「ドリフターズ」と「もやしもん」です。

 ドリフターズは完全フィクションで、魔法もアリな世界観ではありますが、
 その中で織田信長は死体と排泄物を集めて火薬の原料としました。

 この件について、もやしもんの中でも排泄物は爆弾の原料になるという話がありますが、
 どうやらその中でポイントになるのが窒素の様です。


 実は想像するとなかなか苦しい絵ではありますが、
 排泄物や枯草などを合わせて発酵させたものから「硝酸カリウム」というものが作れるそうです。
 これに硫黄や炭を混ぜると、火薬になるというから困ったものです。
 実験したくても、いろいろな意味でかなり辛そうです。

 硝酸カリウムというものは排泄物の中に含まれている窒素から作られているわけなのですが、
 このように窒素は現在も火薬など、爆発物の材料として使われて居るのだそうです。


 ところが、排泄物であっても、私たちの身体であっても、その窒素の大本は、
 昨日も説明したように菌類が空気中の窒素を取り込めるようにしてくれないと、
 どうすることもできないわけです。

 それじゃあ、今でも火薬は死体や排泄物から作られているのかというとそうでもなく、
 今から100年ちょっと前、「フリッツ・ハーバー」さんと「カール・ボッシュ」さんが編み出した
 「ハーバー・ボッシュ法」、空気中の窒素をアンモニアに変えることができるのだそうです。


 ざっくりいうと、空気中の水素と窒素を、高温・高圧の釜に入れると、
 液体と気体のちょうど中間くらいのあいまいな状態になるのだそうです。
 この状態になると、普段は反応しない窒素も水素と交わり、アンモニアになるのだとか。

 本来は、空気中の窒素を取り込んだ菌から植物、動物と移動し、
 その動物の排泄物や死体から取り出せるアンモニアがこんな方法で取れるとは・・・
 う〇こ製造法と言ってはあまりに失礼ではありますが、それに近いものかもしれません。


 けれどもこの方法が登場したことによって、自然のままでは窒素が取り込めないような植物でも、
 肥料として窒素を与えることができるようになり、農業はかなり発達していったようです。

 ただし、同時に戦争で使われる火薬もこの方法で大量に作れるようになったことで、
 良いことと悪いことを同時に簡単にしてしまったというのは悩みの種だったことと思います。
プロフィール

ライネ

Author:ライネ
ライネと申します。
先生の家に居候するラザフォード人です。
現在この世界のことを勉強中。
リンクとかもろもろ含めて商業的利用以外ならご自由にどうぞ。面白そうな企画には飛び乗ります。

合言葉は「真面目な事を不真面目に!」
記事の真偽は自己責任でお願いします。

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