元素分析（装置の原理・計算問題の解法など）

元素分析の仕組み・流れ

• 化合物中の元素の組成を調べて、組成式を決定する操作を元素分析という。
• 元素分析は次のような装置を用いて行われる。

• この装置を使った元素分析の仕組みと流れについて、次の手順で解説する。

STEP

O₂又は乾燥した空気を吹き込みながら試料（有機物：C_xH_yO_z）を燃焼させる

まずは、O₂又は乾燥した空気を吹き込みながら試料（有機物：C_xH_yO_z）を燃焼させる。

その結果、試料中のCはCO₂（気体）に、HはH₂O（気体）に変化する。

STEP

気体（CO₂・H₂O・O₂）がCuOを通過する
→試料の不完全燃焼を防ぐ

STEP1の燃焼が不十分で、Cが本来CO₂まで酸化されるところ、COまでしか酸化されていないという場合がある。
そこで、酸化剤である「CuO」中を通過させることで試料の不完全燃焼を防ぐ。

\[ \mathrm{CuO + CO → Cu + CO_{2}} \]

STEP

気体（CO₂・H₂O・O₂）がCaCl₂を通過する
→H₂Oが吸収される

次に、気体（CO₂・H₂O・O₂）がCaCl₂を通過する。

塩化カルシウムCaCl₂は中性の乾燥剤である。
したがって、H₂Oのみが吸収される。

参考：【乾燥剤】酸性・中性・塩基性の乾燥剤一覧や分類・仕組みなど

STEP

気体（CO₂・O₂）がソーダ石灰を通過する
→CO₂が吸収される

ソーダ石灰（NaOH+CaO）は塩基性の乾燥剤なので、酸性気体であるCO₂が吸収される。（ただし、この場合は“乾燥剤”として働いているわけではない：乾燥剤について詳しくは【乾燥剤】酸性・中性・塩基性の乾燥剤一覧や分類・仕組みなどを参照）
元素分析では、以上の手順で得た塩化カルシウム管に吸収されたH₂O、及びソーダ石灰管に吸収されたCO₂の質量をもとに、元の有機化合物の組成式を求める。
※具体的な計算方法については、以下で解説しているので必ずマスターしておこう。

塩化カルシウム管とソーダ石灰管を入れ替えてはいけない理由

• 中性の乾燥剤である塩化カルシウムと塩基性の乾燥剤であるソーダ石灰の順番は入れ替えてはならない。

• ソーダ石灰は塩基性の乾燥剤であり、H₂Oや酸性気体であるCO₂を吸収する。
• したがって、ソーダ石灰を先にセッティングするとH₂OとCO₂をいっぺんに吸収してしまい、それぞれの正確な量を量ることが出来ない。
• したがって、元素分析をする際は必ず「塩化カルシウム管→ソーダ石灰管」の順に試料を通す必要がある。

元素分析と組成式の決定

• 元素分析の結果を用いて有機化合物の組成式を決定することができる。
• 元素分析後の塩化カルシウム管の増加量（＝吸収されたH₂Oの質量）をAg、ソーダ石灰管の増加量（＝吸収されたCO₂の質量）をBgだとすると、有機化合物C_xH_yO_zwgに含まれるC・H・Oのモル比は次のように表すことができる。

\[ \begin{align} & \mathrm{C：H：O} \\
&\mathrm{=\frac{ B×\frac{ 12 }{ 44 }(g) }{ 12(g/mol) } ： \frac{ A×\frac{ 2 }{ 18 }(g) }{ 1(g/mol) } ： \frac{ w-(B×\frac{ 12 }{ 44 }+A×\frac{ 2 }{ 18 })(g) }{ 16(g/mol) }} \end{align} \]

上式に関する解説

\[ \mathrm{\frac{ B×\frac{ 12 }{ 44 }(g) }{ 12(g/mol) } }\]

• まずはこの部分に注目する。
• 分子では、吸収されたCO₂の質量Bgに「Cの原子量（12）/CO₂の分子量（44）」をかけることで「C原子だけの質量」を導き出している。それをC原子の原子量12(g/mol)で割ることでC原子のmolが得られる。
• 同様に、次の式で吸収されたH₂O（Ag）中に含まれるH原子のmolが得られる。

\[ \mathrm{\frac{ A×\frac{ 2 }{ 18 }(g) }{ 1(g/mol) }} \]

• また、O原子のmolは次のようになる。

\[ \mathrm{\frac{ w-(B×\frac{ 12 }{ 44 }+A×\frac{ 2 }{ 18 })(g) }{ 16(g/mol) } }\]

• 元の有機化合物の質量wgからH原子・C原子の質量を引いて間接的にO原子の質量を求めている。
• 最後にもう一度、C・H・Oのモル比を表す式を確認する。

\[ \begin{align} & \mathrm{C：H：O} \\
&\mathrm{=\frac{ B×\frac{ 12 }{ 44 }(g) }{ 12(g/mol) } ： \frac{ A×\frac{ 2 }{ 18 }(g) }{ 1(g/mol) } ： \frac{ w-(B×\frac{ 12 }{ 44 }+A×\frac{ 2 }{ 18 })(g) }{ 16(g/mol) }} \end{align} \]

• これを用いて次の例題を解いていこう。