エチレングリコールの構造式・化学式（分子式や示性式）は？分子量の計算方法も！

化学物質を正確に理解するには、その化学式や構造式を把握することが基本となります。エチレングリコールは、不凍液として身近な化合物ですが、その分子構造を詳しく知る機会は少ないかもしれません。

「分子式はどう表記するのか」「構造式や示性式の違いは何か」「分子量はどう計算するのか」といった疑問は、化学を学ぶ上で必ず通る道でしょう。これらの知識は、化学反応や物性の理解にも直結します。

エチレングリコールの分子式はC₂H₆O₂であり、2つのヒドロキシ基を持つという特徴的な構造をしています。この単純な構造から、様々な性質や用途が生まれるのです。

本記事では、エチレングリコールの分子式から構造式、示性式の書き方、そして分子量の計算方法まで、基礎から応用まで詳しく解説していきます。化学の基本を確実に身につけられる内容となっているでしょう。

 

エチレングリコールの化学式（分子式）

それではまず、エチレングリコールの化学式について解説していきます。

 

分子式の表記方法

分子式は、分子を構成する原子の種類と数を元素記号と数字で表したものです。組成式とも呼ばれるこの表記法により、分子の組成を簡潔に示すことができるでしょう。

分子式の表記順序には慣例があります。有機化合物の場合、一般的には炭素(C)を最初に、次に水素(H)、そして他の元素をアルファベット順に記載するのです。

この表記方法により、化合物の元素組成が一目で分かります。ただし、分子式だけでは原子の結合順序や立体構造までは分からないという制限があるのです。

エチレングリコールには、同じ分子式C₂H₆O₂を持つ異性体が存在します。例えば、ジメチルペルオキシド(CH₃-O-O-CH₃)も同じ分子式ですが、全く異なる化合物でしょう。

 

組成元素の特徴

続いては、各元素の役割を確認していきます。

エチレングリコールを構成する3つの元素は、それぞれ特徴的な性質を持っています。炭素は有機化合物の骨格を形成し、酸素は極性を生み出す重要な元素です。

元素	原子番号	原子量	分子中の個数	質量寄与率(%)
炭素(C)	6	12.01	2個	38.7
水素(H)	1	1.008	6個	9.7
酸素(O)	8	16.00	2個	51.6

質量組成を見ると、酸素が分子量の約半分を占めています。この高い酸素含有率が、エチレングリコールの極性や水への溶解性に大きく寄与しているのです。

炭素-酸素-水素の比は、1:1:3となります。これは単純な整数比であり、化学反応の量的関係を考える際に便利でしょう。

水素原子の数が多いことも特徴的です。2つの炭素に対して6つの水素があり、これは飽和炭化水素の構造を示唆しています。

 

化学式の用途と重要性

さらに、化学式が持つ実用的な意味を見ていきましょう。

分子式は、化学反応式を書く際の基本となります。エチレングリコールの合成や分解反応を表現する際、必ずこの分子式が使われるのです。

例えば、エチレンからエチレングリコールを合成する反応は以下のように表されます。

分子式から、化合物の酸化状態や官能基の存在も推測できます。C₂H₆O₂という組成は、2つのヒドロキシ基を持つアルコールであることを示唆するでしょう。

工業的には、分子式から理論収率の計算が可能です。原料であるエチレン(C₂H₄)何モルから、エチレングリコール(C₂H₆O₂)が何モル得られるかを予測できるのです。

用途	分子式の役割	具体例
反応式の記述	反応物と生成物の表示	燃焼反応、合成反応
量論計算	物質量の関係を導出	収率計算、原料量計算
物質の同定	分析データとの照合	元素分析、質量分析

分析化学では、元素分析の結果から分子式を決定します。炭素、水素、酸素の質量%から、実験式を導き出すことができるでしょう。

データベース検索においても、分子式は重要な検索キーとなります。CAS番号と並んで、化合物を特定する基本情報なのです。

 

エチレングリコールの構造式

続いては、エチレングリコールの構造式を確認していきます。

 

構造式による結合の表現

構造式は、原子間の結合を線で表すことで、分子の構造をより詳しく示します。エチレングリコールの構造式は以下のように表されるのです。

構造式により、どの原子とどの原子が結合しているかが明確になります。エチレングリコールでは、2つの炭素原子が中央で結合し、それぞれの炭素にヒドロキシ基(-OH)が結合しているのです。

すべての結合は単結合であり、これは線1本で表されます。二重結合や三重結合は存在しないため、飽和化合物に分類されるでしょう。

各炭素原子は4本の結合を持ち、酸素原子は2本、水素原子は1本の結合を持っています。これは、それぞれの元素の価数と一致するのです。

 

立体構造と分子の形

さらに、三次元的な構造を見ていきましょう。

平面的な構造式だけでは表現できない、分子の立体構造も重要です。エチレングリコールの炭素原子は、sp³混成軌道を取り、正四面体に近い配置となります。

2つの炭素間の結合は自由に回転できるため、分子は様々な立体配置(コンフォメーション)を取ることができるでしょう。最も安定な配置は、2つのヒドロキシ基がアンチ配座を取る形です。

コンフォメーション	特徴	安定性
アンチ配座	OH基が反対側	最も安定
ゴーシュ配座	OH基が近接	やや不安定
エクリプス配座	OH基が重なる	最も不安定

ヒドロキシ基間の分子内水素結合も可能です。特定の配座では、一方のOH基の水素が、もう一方のOH基の酸素と水素結合を形成することがあるでしょう。

液体状態では、分子間水素結合が支配的です。隣接する分子のヒドロキシ基同士が水素結合ネットワークを形成し、これが高い沸点や粘度の原因となるのです。

結晶構造では、より規則的な水素結合ネットワークが形成されます。これにより、比較的高い融点(-12.9℃)を示すのです。

 

官能基と化学的性質

最後に、構造と性質の関係を確認していきます。

エチレングリコールの最も重要な構造的特徴は、2つのヒドロキシ基を持つことです。これによりジオール(二価アルコール)に分類されます。

ヒドロキシ基は親水性を示し、これがエチレングリコールの水への高い溶解性をもたらします。また、様々な化学反応の反応点となるでしょう。

2つのヒドロキシ基が隣接する炭素に結合しているため、特有の反応性を示します。例えば、酸化されるとグリコールアルデヒドやグリオキサールを経て、最終的にはシュウ酸となるのです。

反応	生成物	用途
エステル化	ポリエステル	繊維、樹脂
エーテル化	グリコールエーテル	溶剤
酸化	シュウ酸	化学試薬
脱水	ジオキサン	溶剤

ポリエステルの合成では、エチレングリコールの2つのヒドロキシ基が反応点となります。テレフタル酸と反応することで、ポリエチレンテレフタレート(PET)が生成されるのです。

構造式から、分子の極性も予測できます。両端にヒドロキシ基を持つ対称的な構造は、強い極性を示すでしょう。

 

エチレングリコールの示性式

続いては、示性式による表現を確認していきます。

 

示性式の定義と特徴

示性式は、分子内の官能基や特徴的な構造を強調した表記方法です。構造式を簡略化し、化学的性質が分かりやすい形で表現します。

エチレングリコールの示性式は、いくつかの書き方があります。最も一般的なのは、HOCH₂CH₂OHまたは(CH₂OH)₂という表記でしょう。

HOCH₂CH₂OHという表記は、2つのヒドロキシ基が両端に位置することを明確に示します。この表記により、アルコール性の性質が強調されるのです。

(CH₂OH)₂という表記は、分子の対称性を強調しています。2つの-CH₂OH単位が結合している構造が、一目で分かるでしょう。

表記方法	強調される点	用途
C₂H₆O₂	組成のみ	化学量論計算
HOCH₂CH₂OH	官能基の位置	反応性の理解
(CH₂OH)₂	対称性	構造の把握

示性式の選択は、文脈によって異なります。化学反応を議論する際は、官能基を明示した表記が好まれるでしょう。

 

他の化合物との比較

さらに、類似化合物と比較してみましょう。

エチレングリコールは、グリコール類(ジオール類)の中で最も単純な構造を持ちます。炭素鎖の長さが異なる他のグリコールと比較することで、構造の理解が深まるでしょう。

化合物名	分子式	示性式
エチレングリコール	C₂H₆O₂	HOCH₂CH₂OH
プロピレングリコール	C₃H₈O₂	CH₃CH(OH)CH₂OH
ブタンジオール	C₄H₁₀O₂	HOCH₂CH₂CH₂CH₂OH
グリセリン	C₃H₈O₃	HOCH₂CH(OH)CH₂OH

グリセリンは3つのヒドロキシ基を持つため、トリオールに分類されます。エチレングリコールはジオールであり、官能基の数が1つ少ないのです。

エタノール(C₂H₅OH)と比較すると、エチレングリコールは炭素数は同じですが、ヒドロキシ基が2つあることが特徴でしょう。

ヒドロキシ基の数が増えることで、水素結合が強化され、沸点が大幅に上昇します。この関係は、構造と物性の相関を理解する良い例となるのです。

 

IUPAC命名法との関係

最後に、系統的な命名法を確認していきます。

IUPAC命名法では、エチレングリコールはエタン-1,2-ジオール(ethane-1,2-diol)と命名されます。これは、炭素2つのエタンに、1位と2位の炭素にヒドロキシ基が結合していることを示すのです。

慣用名の「エチレングリコール」は広く使われていますが、IUPAC名の方が構造を正確に反映しています。特に学術的な文献では、系統名が推奨されるでしょう。

「1,2-」という表記は、ヒドロキシ基が隣接する炭素(1番と2番)に結合していることを意味します。もし1番と3番に結合していれば、プロパン-1,3-ジオールとなるのです。

化合物	IUPAC名	官能基の位置
エチレングリコール	エタン-1,2-ジオール	隣接炭素
プロピレングリコール	プロパン-1,2-ジオール	隣接炭素
1,3-プロパンジオール	プロパン-1,3-ジオール	離れた炭素

命名法を理解することで、化合物の構造を名前から推測できるようになります。これは、化学文献を読む際に非常に有用でしょう。

 

エチレングリコールの分子量

続いては、分子量の計算を確認していきます。

 

原子量を用いた計算手順

分子量は、分子を構成するすべての原子の原子量を合計することで求められます。計算手順は非常にシンプルです。

まず、各元素の原子量を確認します。これらの値は周期表に記載されており、国際的に統一された標準値が使用されるのです。

次に、分子式に含まれる各元素の原子数を確認します。エチレングリコールの場合、C₂H₆O₂なので、炭素2個、水素6個、酸素2個です。

各元素について、原子量×原子数を計算し、それらを合計すれば分子量が得られるでしょう。

 

分子量の具体的な計算

さらに、実際に計算してみましょう。

したがって、エチレングリコールの分子量は約62.07となります。単位は原子質量単位(u)または無次元の数値として表されるのです。

有効数字の扱いは、計算の目的によって異なります。一般的な化学計算では、小数点以下2桁(62.07)で十分でしょう。

有効数字	計算結果	適用場面
2桁	62	概算、簡易計算
3桁	62.1	一般的な実験
4桁	62.07	精密な化学量論計算

より精密な原子量を用いると、62.068という値になります。しかし、実用上は62または62.1で十分なことが多いでしょう。

文献やSDSによっては、62、62.07、62.1など、若干異なる値が記載されていることがあります。これは使用する原子量の精度や丸め方の違いによるものです。

 

モル質量との関係と応用

最後に、分子量の実用的な応用を確認していきます。

分子量とモル質量は、数値的には等しい関係にあります。分子量62.07に単位g/molを付けたものが、モル質量なのです。

モル質量は、「1モルあたりの質量」を表します。エチレングリコール1モル(6.022×10²³個の分子)の質量は、62.07グラムとなるでしょう。

この関係を利用して、物質量(モル数)と質量を相互に変換できます。例えば、310.35 gのエチレングリコールは何モルかを計算してみましょう。

310.35 g ÷ 62.07 g/mol = 5.00 mol

逆に、2モルのエチレングリコールの質量は、62.07 × 2 = 124.14グラムとなるのです。

物質量(mol)	計算式	質量(g)
0.5	62.07 × 0.5	31.04
1	62.07 × 1	62.07
2	62.07 × 2	124.14
5	62.07 × 5	310.35

化学反応の量的関係を計算する際にも、分子量は不可欠です。例えば、エチレングリコールからポリエステルを合成する反応では、原料の必要量を分子量から計算するでしょう。

工業プロセスでは、反応収率の計算にも使用されます。理論収量(分子量から計算)と実際の収量を比較することで、プロセスの効率を評価できるのです。

濃度計算においても重要です。1 mol/Lのエチレングリコール水溶液を作るには、水1リットルに62.07グラムのエチレングリコールを溶かせばよいのです。

分子量は、質量分析やクロマトグラフィーなどの分析データを解釈する際の基準値としても使用されます。測定されたピークが目的化合物かどうかを判断する手がかりとなるでしょう。

 

まとめ

エチレングリコールの分子式はC₂H₆O₂であり、炭素2個、水素6個、酸素2個から構成されます。質量組成では酸素が約52%を占め、この高い酸素含有率が極性や水溶性に寄与しているのです。

構造式HOCH₂CH₂OHは、2つの炭素が中央で結合し、それぞれにヒドロキシ基が結合していることを示します。すべて単結合の飽和化合物であり、sp³混成軌道による正四面体的な配置を取るでしょう。

示性式としてはHOCH₂CH₂OHまたは(CH₂OH)₂と表記され、官能基や対称性を強調します。IUPAC命名法ではエタン-1,2-ジオールと呼ばれ、ヒドロキシ基が隣接炭素に結合する構造が明示されるのです。

分子量は各原子の原子量を合計することで求められ、C(12.01×2) + H(1.008×6) + O(16.00×2) = 62.07となります。このモル質量62.07 g/molを用いて、物質量と質量の換算や化学反応の量論計算が可能でしょう。

化学式、構造式、示性式はそれぞれ異なる情報を提供し、用途に応じて使い分けられます。分子量とともに、これらはエチレングリコールの化学的性質を理解し、適切に取り扱うための基礎となる知識なのです。