色々やるであろうブログ

浪人してるので更新ほぼ停止中

課題研究テーマが決まらない人向け「カラメル化」について

化学

高校生の研究テーマで使えるのに意外と使われていないカラメル化について紹介したいと思います。

 

※研究例を追記するかもしれません。

カラメル化とは何か


カラメル化とは、糖類を加熱した時に起きる複雑な酸化反応のことで、着色料のカラメルを作る際に利用されています。

 

参照：キャラメル化 - Wikipedia

 

反応が複雑なので反応機構はまだよくわかっておらず、重合したフランや4分子脱水したグルコースが含まれると考えられています。

f:id:coronene:20210315165008p:plain

　↑カラメルの推定構造

（キャラメル - Wikipediaフリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』から引用）

 

糖の種類によってカラメル化が起こる温度は異なります。

 

実際に作ってみたものです。

f:id:coronene:20210611200753j:plain

 

カラメル化をテーマにする利点

  1. 必要な材料が主に糖類のみ
  2. あまり知られていない
  3. 反応が複雑でわからないことが多い

の3つを挙げました。


1.必要な材料が主に糖類のみ


前述したように、カラメル化は糖の反応なので、加熱器具と糖があればできるのです。

 

ほとんどの高校は糖類くらいはあるはずなので、材料が無いからすぐにはできないといったことにはならないでしょう。

 

また、糖類は他の化学薬品と比べて安価で安全であるところもポイントですね。

 

2.あまり知られていない


コーラなどの成分表に「カラメル色素」という表記を見たことありませんか。

 

名前からもわかるとおり、これはカラメル化を用いて製造される着色料です。

 

カラメル色素は知っていても、カラメル化という反応自体は知らない方も多いのではないでしょうか。

 

意外と知られていないんですよね。

 

そのおかげで高校生レベルの研究が少なく内容が被りにくいです。

 

一応SSH生徒研究発表会やJSECで賞を取ったりと、大きな成果を上げている研究もあります。あることにはあるのですが普通に課題研究を調べる際には出てこなかったでしょう。

 

3.反応が複雑でわからないことが多い


これも前述していますが、カラメル化は様々な反応が起きており、反応機構はよくわかっていません。

 

これはまだ研究されていない事柄が多いとも考えられ、まだまだできることがたくさんあることを示しています。

 

先行研究がない研究をやりたい、という方にはぴったりだと思いますよ。

 

研究例

私個人が知っている/考えた研究例を挙げたいと思います。

1.糖アルコールはカラメル化するのか


糖アルコールというのはアルドースやケトースのカルボニル基が還元された糖のことで、カラメル化しないといわれています。

参照：糖アルコール - Wikipedia

 

例えばガムに入っているキシリトールなんかが有名でしょう。

 

しかし、糖アルコールを加熱するとカラメルのような物質が生成したという研究結果があったのです。

 

それが、京都府立桃山高等学校の「糖アルコールはキャラメル化を起こすのか」という研究です。

以下に研究の考察の一部を引用しています。

是非リンク先で研究の全容も確認してみて下さい。

「加熱してもキャラメル化しないといわれている糖アルコールが今回の実験で色が変わり甘いにおいがしたため、糖アルコールもキャラメル化するのではないか」

出典：http://www.kyoto-be.ne.jp/momoyama

hs/mt/ssh/pdf/H26youshisyuu.pdf

もしカラメル化するのであればカラメル化する条件を、やっぱりカラメル化しないのであればなぜカラメル化しないのかを調べてみるといいと思います。

 

カラメル化するのかしないのかはっきりせず、しないとしても何故しないのかもわかりませんからね。

 

この研究の欠点を挙げるなら、糖アルコールがほとんどの高校にはないというところでしょうか。

 

当然化学の先生に取り寄せてもらえば解決するんですけどね。

 

2.カラメル化の反応速度について

英語版のwikipediaには、カラメル化は酸性条件下か塩基性条件下で反応速度が加速されるとの記載がありました。

参照：Caramelization - Wikipedia

 

なので酸性度を変えてやることでどれだけ反応速度が上がるかを調べる実験ができそうです。

（普通に考えるとphが中性から離れているほど反応速度が速くなりそうです。）

 

また、糖蜜など糖に含まれる不純物が反応速度を加速されるとも記載されていました。

 

おそらく糖蜜に含まれる何かが影響しているのでしょう。

 

調べてみると、糖蜜には金属イオンが多く含まれてることがわかりました。これが原因でしょうか。

 

そこで、容易に入手できる金属塩化物を使った実験を考えましたので例に挙げます。

 

以下実験の大まかな流れです。

①NaClなどの金属塩化物とスクロースを混ぜ水を加えて加熱。

②着色したらその温度を測り記録。

③温度をグラフか何かにまとめて考察。

 

加熱する方法について、1番好ましいのは油浴です。油浴なら温度を一定にしやすいのでどの温度でカラメル化したかを決めやすいからです。油浴が無い場合はガスバーナーやガスコンロを使ってうまいこと温度を測りましょう。あるいは電子レンジでもいいでしょうね。

 

金属イオンが影響しているとして、もし温度に差異が生じるのならばそれはイオン半径が関係しているだろうと思います。当然ながら他にも要因はあるでしょう。

 

 

 

 

ここで挙げた例は先行研究がどこかにある可能性があるので、研究を行いたい人は先行研究をよく調べてから行ったほうがいいです。

 

まとめ

 カラメル化はまだまだ研究できるテーマが残っていると思うので是非研究テーマに選んでみてください。

地理Bまとめ番外編（知らなかったところまとめ）

地理B

もうすぐ共通テストですし個人的に忘れていた箇所などを挙げます（あくまで個人的なもの）
範囲は地誌以外から

目次

農業


全体の肥料消費量は中国が世界1位で、全世界の半分ほどを占める


オランダとデンマークは土地生産性がめちゃくちゃ高い（一応ヨーロッパなので労働生産性も高い）


栽培北限（ヨーロッパ）

  • ブドウ:パリ盆地あたりまで
    （パリ盆地はブドウの栽培が盛ん）
  • 小麦:かなり高緯度まで
  • 米:スペイン、イタリアあたりまで


エネルギー


中国、アメリカはエネルギー自給率が100％をきっている


イギリス、ブラジルのエネルギー自給率が高いのはそれぞれ北海油田、リオ油田を開発しているから


ロシア、カナダ、オーストラリアは資源を輸出しまくる国
国内の重工業が少ないオーストラリアは特に資源を輸出している


オーストラリアはウラン生産量が多いが原発は無い


石油石炭天然ガスについて

  • 石油:最も消費量が多い
  • 天然ガス:石油危機以降に消費量が増え、クリーンエネルギーであることから需要が伸びているので消費量の伸び率が大きい

工業/鉱山資源


農牧業関連統計は北海道と南九州に注目
（北海道と南九州での割合が高い）


イギリス、アメリカは脱工業化が進んでいる


ダイヤモンド産出量はボツワナ、コンゴ、ロシアに多い
が加工業はインド、イスラエルで盛ん
またインドでは宝石輸出も盛ん


ロシアは金属工業に強い
（粗鋼生産5位、アルミニウム生産2位）

人口/村落/都市


アメリカ、イギリス三次産業割合が特に高い
（工業の、脱工業化が進んでいる、と合わせて）


韓国のソウル一極集中型
ドイツ多極分散型
中国は総人口が多すぎるので全体に占める各都市の人口率は低くなる


スラムの形成
《先進国》

  • 都市周辺の旧市街地（インナーシティ）に形成

に対し
《発展途上国》

  • 都市内外の移住不適地に形成

商業/生活


昼夜間人口比率
昼間人口÷夜間人口×100
⇒100以上 中心地
100未満 移住地


全国でみると小売業年間販売額より卸売業年間販売額の方が3倍ほど大きい


中心都市は卸売に強い


社会保障制度の政府の公的支出

  • 北欧や社会主義国、中東は高い
    特に北欧諸国は高福祉高負担
  • アメリカは低い（特に医療費）
    しかしその分家庭に負担がかかっている

【英語】out のイメージ

予備校の授業内でoutのイメージのことがでてきたのでそれについて書いてみました。

正直大したことは書いてないですがそれでもよければ。

outのイメージのひとつに「徹底的に」というものがあるそうです。

例えば、die out は「絶滅する」という意味ですが、これはdie=「死ぬ」、out=「徹底的に」と考えると、
die out=「徹底的に死ぬ」となります。

「徹底的に死ぬ」はすこしわかりにくいので、そこでこれを、「死にまくる」とでも解釈してみましょう。

そうすると、「死にまくる」→「絶滅する」と考えられます。

他の熟語を例に挙げて同様に考えてみます。

throughout=「through=通り抜ける」+「out=徹底的に」=「徹底的に通り抜ける」→「すみからすみまで」


A sold out=「Aが徹底的に売られる」→「Aが売り切れる」


wear out=「徹底的に着る」→「着まくる」→「使い古す、摩耗する」

これは服を着まくって服がヨレヨレになるイメージで捉えると良いでしょう。

とまあこういう風に上手いこと説明できる熟語もいくつかありますね。


でここからが少し変な話。
最近同じ先生が、die outのoutを「完了」のイメージで説明されたのです。

なんでも、「死ぬことが完了した」→「絶滅する」とのこと。

えっ、言ってたことと違うじゃん！ってなりましたよ。

果たしてどちらの説明が正しいのでしょうか…


outを含む熟語の意味を見るときには、「徹底的に」と「完了」、そして一切言及していませんが1番イメージしやすい「外に出す」というイメージを頭に入れておきながら見てみるとと覚えやすいのではないでしょうか。

もちろんoutを含むからといって全てのoutに対してこれらのイメージが適用できるとは限りませんのでご注意を。

またお知らせ

お知らせ

報告するのがとても遅いのですが色々あって浪人することになりました。


そのため今までブログをほったらかしにしていたというわけです。


今後は暇とやる気があればまた少しは更新するかもしれません。


しかしやはり本格的に更新し始めるのは来年の3月頃になるでしょう。


その時までお待ちいただけると嬉しいです。

化学のマイナーな反応【高校化学】

化学

$\require{mhchem}$ 入試ではまず問われない、資料集にさりげなく載っているものやもっと知られていないであろうものをまとめました。

フルクトースと$\ce{Ca(OH)_2}$の反応

難溶性の$\ce{C6H12O6・Ca(OH)2・H2O}$　が生成します。フルクトースが存在しているかどうかを確かめたくて方法を探しているときに見つけた反応です。
フルクトースを分離したい時に使えます。

スクロースと$\ce{Fe^3+}$

スクロースと$\ce{Fe^3+}$と水を混合して加熱すると、どこかのタイミングで$\ce{Fe^3+}$の色が消えます。

恐らくスクロースが加水分解してグルコースとフルクトースになることで$\ce{Fe^3+}$が還元されて、$\ce{Fe^3+}$→$\ce{Fe^2+}$となるので色が消えたように見えるのだと思います。
（残った$\ce{Fe^2+}$は淡緑色ですが、$\ce{Fe^2+}$の色が薄く無色に見えたから色が消えたように見えたのでしょう。）

なぜ恐らくと言っているのかというと、これは私が偶然発見したからなのです。

この反応はスクロースの加水分解のタイミングを知るためくらいにしか使いようがない気がします。マイナーどころじゃありませんねこれは。

$\ce{Cu^2+}$と濃塩酸、$\ce{Cu^2+}$と$\ce{K4[Fe(CN)_6]}$の反応

$\ce{Cu^2+}$と濃塩酸を反応させると、$\ce{[CuCl4]^2-}$などの$\ce{Cl-}$が配位した黄緑色の錯イオン溶液になります。

$\ce{Cu^2+}$と$\ce{K4[Fe(CN)_6]}$を反応させると、$\ce{Cu2[Fe(CN)_6]}$の赤褐色沈殿が生成します。

いずれの反応も資料集にしっかりと記載されていますが、入試に出ることはまあないでしょう。$\ce{K4[Fe(CN)_6]}$は$\ce{Fe^3+}$としか反応しないと思っていた方も多いのではないでしょうか。

ポリビニルアルコールと$\ce{I2}$

デンプンにヨウ素ヨウ化カリウム溶液を加えると紫色に呈色するのは有名ですが、ポリビニルアルコールもデンプンと同様にらせん構造をとるので、らせん構造の中にヨウ素分子が入り込んで紫色に呈色します。

アセチリド（銀以外）

アセチリドは銀だけじゃなくて銅もあります。銅アセチリドは赤色の沈殿です。

また、アセチリドは右のような形（$\ce{R≡C-H}$）であればHが銀や銅に置き換わって生成します。例えば銀フェニルアセチリドなんてものがあり、これには爆発性がありません。アセチリドならなんにでも爆発性があるというわけではないのです。

銅、銀があるのなら金もありそうですが、予想通り金アセチリドもあるようです。 金銀銅アセチリドはすべて爆発性を持ちます。

反応の話を忘れていました。$\ce{R≡C-H}$のように末端に三重結合がある有機化合物は金銀銅とアセチリドをつくって沈殿してくれるので、末端の三重結合の有無を確認できます。

地理Bまとめ⑨ - ヨーロッパの農業

混合農業

農耕と牧畜を組み合わせた農業。

生産物

牛、豚、鳥、小麦、ライ麦、トウモロコシ

主要生産地域

ヨーロッパ中緯度地域（イギリス南東部、イタリア北部、ドイツ、フランス、東ヨーロッパ）

主な国

小麦 : フランス　
トウモロコシ : ウクライナ
ライ麦 : ドイツ、ポーランド
豚 : ドイツ、デンマーク
牛 : フランス
羊 : イギリス　

地中海式農業

名前の通り地中海沿岸で主に行われる。

生産物

オリーブ、ブドウ、オレンジ類、小麦・大麦（冬）
夏 : オリーブ、ブドウ、オレンジ類
冬 : 小麦・大麦

主要生産国

イタリア、ギリシャ、スペイン、ポルトガル

主な国

オリーブ : スペイン、ギリシャ、イタリア
ブドウ : イタリア、フランス、スペイン

酪農

冷涼な地域で行われる。

生産物

バター、チーズ

主要生産国

アイルランド、オランダ、スイス、フランス、ポーランド、ドイツ

主な国（輸出）

チーズ : ドイツ、オランダ、フランス、イタリア

園芸農業

オランダで盛ん。

生産物

野菜、果物、観賞用の花、庭木など

主要生産国

オランダ

〈pythonで遊ぼう〉程よい巨大数や小さい数を10の累乗で不等式評価

python 数学

要約
普通に計算すればいいものをわざわざ長いコードを作って10の累乗で近似するだけの記事


python初心者による練習で作られたコードを紹介します。
すごいものではないので過度の期待は危険。
実用性はないと思います。このコードそのものに応用例なんてあるんでしょうか。
なんでもいいからpythonで何かを動かしてみたい！という方は使ってみてください。
　　　　　


pythonで任意の正の実数を10の累乗で不等式評価できるコードを作ってみました。
ただしあまりにも大きい数字だとオーバーフローしてしまいます。
小さすぎると0e+00になってしまいます。


コードはこちらになります。

x=1
y=  #　=の右に任意の正の実数
while x < y:
    x *= 10
    if x >= y:
        print('{:.0e}'.format(x/10),'<','y','<','{:.0e}'.format(x))
while x > y:
    x *= 1/10
    if x <= y:
        print('{:.0e}'.format(x),'<','y','<','{:.0e}'.format(x*10))

一つ目のwhileはxがy以上になるまでひたすら10倍し続けるもので、二つ目は逆にxがy以下になるまでひたすら10で割り続けるものになっています。
すごく単純な構造ですが、whileとifが程よく放り込まれているので練習にはもってこいでした。
'{:.0e}'.format(x)←これで1e+〇=1*10^〇の形にしています。仕組みはよくわかりません。

y=777^77を代入してみます。

x=1
y=777**77
while x < y:
    x *= 10
    if x >= y:
        print('{:.0e}'.format(x/10),'<','y','<','{:.0e}'.format(x))
while x > y:
    x *= 1/10
    if x <= y:
        print('{:.0e}'.format(x),'<','y','<','{:.0e}'.format(x*10))

1e+222 < y < 1e+223 
1e+222 < y < 1e+223

777^77は10^222から10^223の間にあることがわかりました。
何故か2つ同じ不等式が出力されてますが気にしない気にしない。

次は小さい数字としてy=1/17^175を代入してみます。

 x=1
y=1/17**175
while x < y:
    x *= 10
    if x >= y:
        print('{:.0e}'.format(x/10),'<','y','<','{:.0e}'.format(x))
while x > y:
    x *= 1/10
    if x <= y:
        print('{:.0e}'.format(x),'<','y','<','{:.0e}'.format(x*10))
1e-216 < y < 1e-215

1/17^175は10^-216から10^-215の間にあることがわかります。
実際に計算してみると

print(1/17**175)        
4.692872540150196e-216

となるので出力された不等式は正しいことがわかります。
y=77**777は桁が多すぎるので割愛。

yは指数である必要はないので、階乗とかでもできます。