元素分析の方法と計算｜組成式・分子式の求め方とCHN装置・ケルダール法

元素分析は、試料を酸素の中で完全に燃やし、炭素を二酸化炭素（CO₂）、水素を水（H₂O）に変えて量ることで、元素ごとの質量の割合を求める方法です。割合から原子の数の比（組成式）が決まり、分子量が分かれば分子式まで確定します。

燃えたガスは、塩化カルシウムの管で水を吸わせてから、ソーダ石灰の管で二酸化炭素を吸わせます。順番を逆にするとソーダ石灰が両方を吸ってしまうためで、今の分析室の自動装置も、1〜3 mg の試料を燃やし、水と二酸化炭素を別々に分けて測っています。

本記事では、元素分析の計算方法と吸収管の順番の理由、CHN 元素分析装置のしくみと誤差の目安、窒素・硫黄・金属の測り方の使い分けについて解説します。

組成式と分子式を決定する計算例：C・H・O だけの化合物X

元素分析の計算は、燃やしてできた CO₂ と H₂O の質量から、もとの試料に含まれていた炭素と水素の量を逆算する作業です。ここでは、炭素・水素・酸素だけからなる化合物Xを例に、組成式と分子式を決めるところまで進めます。

計算例の条件は次のとおりです。化合物X 21.0 mg を白金皿に入れて燃焼管に置き、乾燥した（ア）を通しながら加熱して完全に燃やしました。その結果、白色の粒状の固体（イ）を詰めたB管が 12.6 mg、白色の粒状の固体（ウ）を詰めたC管が 30.8 mg 重くなりました。

化合物Xを気体にして密度を測ると、標準状態（0℃・1.013×10⁵ Pa）で 2.68 g/L でした。原子量は H＝1.0、C＝12.0、O＝16.0、気体のモル体積は 22.4 L/mol とします。

• 問1：空欄（ア）〜（ウ）に当てはまる語句は何か
• 問2：化合物Xの組成式は何か
• 問3：化合物Xの分子量と分子式は何か

図1：計算例の実験装置：燃焼管と2本の吸収管

燃やしてできた水と二酸化炭素を、別々の管に吸わせて重さの増え方を量ります。

※燃焼管には、燃え残りを防ぐために酸化銅(II)などの酸化剤を詰めることが多く、リービッヒの装置も酸化銅を使いました。

この形の計算は、有機化合物の構造を決める作業の最初の一歩にあたります。組成式と分子式がそれぞれ何を表すかは組成式と分子式の違いで整理しているので、ここでは測った値から式を出す手順に絞ります。

最も基本的な元素分析のパターン：燃やして CO₂ と H₂O を量る

最も基本的な元素分析は、C・H・O からなる有機物を完全に燃やし、炭素をすべて CO₂ に、水素をすべて H₂O に変えて、それぞれの質量を量る方法です。2つの気体を別々の固体に吸わせ、吸収管の重さの増え方から CO₂ と H₂O の質量を読み取ります。

CO₂ の分子量は 44 で、そのうち炭素が 12 を占めるので、CO₂ の質量に 12/44 を掛けると炭素の質量が出ます。H₂O は分子量 18 のうち水素が 2 なので、水の質量に 2/18 を掛けると水素の質量になります。

図2：C・H・O は燃やすとどこへ行くか

炭素と水素は気体になって吸収管で量り、酸素だけは試料の質量からの差し引きで求めます。

化合物X（C・H・O）酸素中で完全に燃やす

燃焼

C → CO₂ソーダ石灰の増加分 × 12/44

H → H₂O塩化カルシウムの増加分 × 2/18

O は差し引き試料 −（C ＋ H）

※12/44 は CO₂ のうち C の質量の割合、2/18 は H₂O のうち H の質量の割合。燃焼で加えた酸素が混ざるので、O は吸収管からは求められません。

酸素だけは同じ方法で量れません。燃やすときに外から酸素を加えているため、生成した CO₂ と H₂O の酸素には、試料由来の酸素と加えた酸素が混ざっているからです。そこで、試料の質量から炭素と水素の質量を引いた残りを、酸素の質量とみなします。

この方法をほぼ今の形にまとめたのは、ドイツの化学者リービッヒです。1830年代に、燃焼管・塩化カルシウム管・水酸化カリウム溶液を入れたガラス球（カリ球）をつないだ装置を整え、1837年の著書で手順を示しました。

カリ球は有機分析の象徴として、米国化学会（ACS）のロゴにも描かれています。物質を原子の組み合わせとして捉える考え方の流れはドルトンの原子説から続いていて、燃焼分析の値が19世紀の有機化学の理論を支えました。

元素分析の注意点：塩化カルシウム管を先に、ソーダ石灰管を後に置く

元素分析でいちばん気をつけるのは吸収管の順番で、燃焼管のすぐ後に塩化カルシウム管、その後ろにソーダ石灰管を置きます。塩化カルシウムは水だけを吸い、ソーダ石灰は水と二酸化炭素の両方を吸うからです。

ソーダ石灰は水酸化ナトリウムと酸化カルシウムを混ぜた塩基性の固体で、酸性の気体である CO₂ と反応して取り込み、同時に水も吸います。一方、塩化カルシウムは中性の乾燥剤なので CO₂ とは反応せず、水だけを吸って CO₂ を通します。

乾燥剤の性質による組み合わせは乾燥剤の選び方で一覧にしています。

図3：吸収管の順番を逆にすると何が起きるか

ソーダ石灰を先に置くと水も二酸化炭素も吸ってしまい、2つの量を分けられなくなります。

※数字は計算例（化合物X 21.0 mg）の値。逆の順番では合計 43.4 mg しか分からず、C と H の内訳が出せません。

逆にソーダ石灰を先に置くと、計算例では水 12.6 mg と CO₂ 30.8 mg の合計 43.4 mg をソーダ石灰がまとめて吸い、後ろの塩化カルシウムには何も残りません。合計しか分からないので、炭素と水素の内訳が計算できなくなります。

燃焼に使う酸素を乾燥させてから通すのも同じ理由です。酸素に水分が含まれていると、その分まで塩化カルシウムが吸うため、水素が実際より多く出ます。

この順番が残っている装置もあります。北海道大学の受託分析で使われてきた装置では、燃焼・還元したガスを、まず過塩素酸マグネシウムを詰めた水の吸収管に通します。次に水酸化ナトリウム系の CO₂ 吸収管に通して H と C を検出し、最後に残った N₂ を測る流路です。

計算例の解き方：測った値と前提を先に並べる

計算に入る前に、与えられた値を「何から何を出すか」と一緒に並べておくと、取り違えを防げます。元素分析の問題で使う値は、試料の質量、2本の吸収管の増加分、分子量の手がかりの3種類です。

項目	値	計算での使い道
化合物Xの質量	21.0 mg	酸素の差し引きの元
B 管（塩化カルシウム）の増加	12.6 mg	H2O の質量 → 水素
C 管（ソーダ石灰）の増加	30.8 mg	CO2 の質量 → 炭素
気体にした X の密度	2.68 g/L（標準状態）	分子量 → 分子式
原子量・モル体積	H 1.0、C 12.0、O 16.0、22.4 L/mol	物質量とモル質量の計算

解く順番はどの問題でも同じで、物質量を出し、比にし、分子量で倍数を決めます。最後に分子式から炭素と水素の質量%を計算し直すと、途中の計算違いに気づけます。

図4：元素分析の計算を解く順番

どの問題も、物質量を出す → 比にする → 分子量で倍数を決める、の順で進みます。

01値と前提を並べる試料の質量、吸収管の増加分、原子量、分子量の手がかり

02C と H の物質量CO₂ ÷ 44、H₂O ÷ 18 × 2

03O を差し引きで出す試料 − C − H の質量を 16 で割る

04比にして組成式いちばん小さい値で割り、整数にそろえる

05分子量で分子式分子量 ÷ 組成式の式量 ＝ n

06質量%で検算分子式から C・H の割合を出し直して比べる

問1：当てはまる語句（酸素・塩化カルシウム・ソーダ石灰）

答えは、（ア）酸素、（イ）塩化カルシウム、（ウ）ソーダ石灰です。C・H・O の有機物を酸素の中で完全に燃やすと、炭素は CO₂、水素は H₂O になり、先のB管の塩化カルシウムが水を、後のC管のソーダ石灰が CO₂ を吸います。

図5：問1の答えと、それぞれの役割

燃やすための気体と、生成物を1種類ずつ吸い取る2つの固体です。

（ア）酸素乾燥させてから通す。水分が残ると B 管の増加分が大きく出る

（イ）塩化カルシウム中性の乾燥剤。水だけを吸い、CO₂ は素通しする

（ウ）ソーダ石灰NaOH と CaO の混合物。酸性の CO₂ を吸い取る

（ア）の酸素を「乾燥した」と断っているのは、前の章のとおり、水分が B管の増加分に紛れ込むのを防ぐためです。燃え残りが一酸化炭素（CO）のまま出ると、ソーダ石灰には吸われず炭素が少なく出るので、燃焼管には酸化銅(II) などを詰めて完全に酸化させます。

問2：化合物Xの組成式を求める

組成式は、炭素・水素・酸素の物質量を順に出し、その比を最も簡単な整数にして決めます。計算例では C：H：O ＝ 0.700：1.40：0.700 ＝ 1：2：1 となり、組成式は CH₂O です。

図6：化合物X 21.0 mg の中身（質量の内訳）

C 8.40 mg・H 1.40 mg を引いた残り 11.2 mg が酸素で、分子式 C₂H₄O₂ から計算した割合と一致します。

炭素 C水素 H（6.7%）酸素 O

測定から（21.0 mg）

C 40.0%O 53.3%

C₂H₄O₂ の理論値

C 40.0%O 53.3%

※測定からは C 8.40 mg（40.0%）、H 1.40 mg（6.67%）、O 11.2 mg（53.3%）。C₂H₄O₂（分子量 60.0）では C 24.0/60.0、H 4.0/60.0、O 32.0/60.0 で同じ割合です（原子量 H 1.0・C 12.0・O 16.0）。

炭素の物質量を決める

CO₂ 1分子には炭素原子が1個含まれるので、炭素の物質量は CO₂ の物質量と同じです。C管が吸った CO₂ 30.8 mg を、CO₂ のモル質量 44.0 g/mol で割ります。

物質量とモル質量の関係や単位の付け方はモル質量と原子量・分子量の違いで詳しく扱っています。mg のまま割れば mmol で答えが出るので、g に直す手間は要りません。

水素の物質量を決める

H₂O 1分子には水素原子が2個含まれるので、水の物質量を2倍すると水素の物質量になります。B管が吸った水 12.6 mg を、水のモル質量 18.0 g/mol で割ってから2を掛けます。

酸素の物質量を決める

酸素は、試料 21.0 mg から炭素 8.40 mg と水素 1.40 mg を引いた残りの 11.2 mg として求めます。これを酸素の原子量 16.0 で割ると、酸素原子の物質量が出ます。

差し引きで出す値には、炭素と水素の測定誤差がすべて乗ります。試料に窒素や硫黄、塩素が含まれているのに C と H だけを引くと、それらの元素の分まで酸素として数えてしまうので、構成元素が C・H・O だけだと分かっていることが前提です。

組成式を決める

3つの物質量を、いちばん小さい値（0.700）で割って比を出します。比が整数になれば、それがそのまま組成式の原子の数です。

実際の分析値は理論値からわずかにずれるので、比が 1.98 のように出ても整数に丸めます。丸め方の判断や、質量%で結果が出たときの計算は、組成式の考え方とあわせて前述の記事の計算例で確かめられます。

問3：化合物Xの分子量と分子式

標準状態での気体の密度 2.68 g/L に、1 mol の体積 22.4 L/mol を掛けると、1 mol あたりの質量、つまりモル質量が出ます。分子量は 60 で、組成式 CH₂O の式量 30 の2倍なので、分子式は C₂H₄O₂ です。

0℃・1気圧で 1 mol の気体が約 22.4 L を占めることは、アボガドロの法則から来ています。混合気体の見かけの分子量を同じ考え方で出す方法は平均分子量の求め方で計算しています。

図7：組成式から分子式へ：分子量で倍数 n を決める

元素分析で分かるのは原子の比までです。分子量が分かると、組成式を何倍すればよいかが決まります。

組成式 CH₂O（式量 30）元素分析で求めた原子の比 C：H：O ＝ 1：2：1

気体の密度 2.68 g/L × 22.4 L/mol

分子量 60n ＝ 60 ÷ 30 ＝ 2

組成式を2倍

分子式 C₂H₄O₂候補は酢酸 CH₃COOH、ギ酸メチル HCOOCH₃ など

どちらの物質かは元素分析では決められない。赤外吸収（IR）や NMR、質量分析で構造を確かめる

答えは燃焼の反応式でも確かめられます。C₂H₄O₂ 21.0 mg は 0.350 mmol で、燃やすと CO₂ と H₂O が 0.700 mmol ずつできます。質量は 30.8 mg と 12.6 mg で、実験の値と一致します。

ただし、分子式が C₂H₄O₂ の物質には、酢酸 CH₃COOH とギ酸メチル HCOOCH₃ などがあり、元素分析ではどちらか区別できません。

構造は赤外吸収スペクトルや NMR、質量分析で確かめ、示性式や構造式で書き分けます。化学式の種類と使い分けは化学式の5種類にまとめています。

実際の分析室では：CHN 元素分析装置は 1〜3 mg を燃やして C・H・N を同時に測る

大学や企業の分析室では、計算例の燃焼と吸収を自動で行う CHN 元素分析装置が使われています。試料1〜3 mg を燃やし、炭素・水素・窒素の質量%を1回の測定でまとめて出す装置で、有機化合物の構造決定・純度確認・成分の定量に使われます。

比べる点	リービッヒの燃焼分析（1830年代）	今の CHN 元素分析装置
試料の量	今より多いマクロ量	1〜3 mg（微量法）。大量型は数百 mg
酸素の供給	酸化銅(II) が熱で出す酸素	酸素（ボンベ。純酸素の装置も、ヘリウムに混ぜる装置もある）
水の捕集	塩化カルシウム管	吸収管（過塩素酸マグネシウム）や吸着カラム
CO2 の捕集	カリ球（水酸化カリウム溶液）	NaOH 系の吸収管や吸着カラム
量り方	吸収管の質量増加を天びんで量る	熱伝導度検出器（TCD）の信号を標準試料で換算
窒素	別の方法（デュマ法など）	同時に測る（NOₓ を銅で N2 に戻す）
作業	吸収管を1回ごとに外して量る手作業	1回数分〜十数分、オートサンプラーで連続

燃焼・還元・分離・検出の流れ

試料は1 µg まで読める天びんで量り、スズや銀の小さな箔に包んで燃焼管に落とします。酸素を送りながら 1,000℃前後に加熱すると、炭素は CO₂、水素は H₂O、窒素は N₂ と窒素酸化物（NO_x）になり、硫黄を含めば硫黄酸化物もできます。

図8：CHN 元素分析装置の中で起きていること

燃やす・戻す・分ける・測るを、ヘリウムの流れの中で自動で続けます。

01量る1〜3 mg をスズや銀の箔に包み、1 µg まで読める天びんで秤量

02燃やす酸素を送りながら 1,000℃前後。C → CO₂、H → H₂O、N → N₂・NOₓ

03還元する加熱した銅に通し、NOₓ を N₂ に戻す

04除いて分けるハロゲン・硫黄は銀の充填剤で除去。ガスは吸着カラムなどで分ける

05検出する熱伝導度検出器（TCD）で N₂・CO₂・H₂O を順に測る

06換算するアセトアニリドなど組成が分かった標準試料で質量%に直す

※温度や分け方は装置で違います。北海道大学の装置例は燃焼管 980℃・還元管 620℃、大阪産業技術研究所の大量型は燃焼管 1,150℃・還元管 850℃。

燃焼ガスはヘリウムに運ばれて、加熱した銅を詰めた還元管に入り、NO_x が N₂ に戻されます。ハロゲンや硫黄は銀の充填剤で取り除き、残った N₂・CO₂・H₂O を分けて、熱伝導度検出器（TCD：ガスの熱の伝わりやすさの違いで量を測る検出器）で測ります。

ガスの分け方は装置で違い、大阪産業技術研究所の装置は CO₂・H₂O・SO₂ を吸着カラムに一度ためて、N₂ の後に1種類ずつ放して測ります。千葉大学の装置には個別の吸着で分ける方式とフロンタルクロマトグラフィーで分ける方式があり、フロンタルクロマトグラフィーはクロマトグラフィーの原理を使った分け方です。

検出器の信号はそのままでは質量にならないので、組成の分かった標準試料を同じ条件で燃やして係数を決め、標準試料との比較で質量%に換算します。標準試料には、後で計算例に使うアセトアニリドなどが使われます。

リービッヒの方法が天びんで直接量っていたのに対し、今の装置は比べて量る方法で、標準試料の選び方が結果を左右します。

酸素と硫黄の測り方

酸素は CHN と同時には測らず、多くの場合は計算例と同じく 100% から C・H・N などを引いて求めます。直接測るときは、酸素を入れずに試料を熱分解し、出てきた酸素を高温の炭素と接触させて一酸化炭素に変えて定量します。

この熱分解の方法は古くから研究されていて、1960年の東京大学薬学部の報告では、白金と炭素の触媒を使って炭素の接触炉を 950℃まで下げ、酸素を直接定量しています。硫黄も同じ燃焼で SO₂ にして C・H・N と一緒に測れる装置があり、石炭や廃棄物の分析で使われます。

±0.3 ポイントと ±0.4 ポイントの目安と、ずれの原因

元素分析の誤差は「質量%の差」で表し、計算値 71.09% に対して 70.80% なら −0.29 ポイントと数えます。北海道大学の受託分析の資料では、一般的な許容誤差として ±0.3%（CHN 分析装置の目安）と ±0.4%（論文投稿規定の要求値の例）が挙げられています。

同じ資料は、測り方を2つに分けて受け付けます。標準試料が ±0.3 ポイントに入るよう装置を調整しながら測るのが「精密分析」、装置に異常がないことを確かめながら速く測るのが「スクリーニング分析」（概ね ±0.5 ポイント）です。

論文や合成品の最終確認には精密分析、合成途中の確認や天然物の組成の調査にはスクリーニングと、目的で選び分けます。

±0.4 ポイントの基準そのものの妥当性については、複数の分析機関の値を比べた国際比較があり、その内容は前述の組成式と分子式の記事の「±0.4%」の節で紹介しています。

ずれの原因は装置だけでなく試料の側にもあり、北大の資料は試料について次の注意点を挙げています。

• 吸湿：量った後に水を吸うと秤量値が増え、結果は小さく出る
• 残留溶媒：溶媒が揮発して秤量値が減ると、結果は大きく出る。溶媒そのものも C・H を持つ
• 不均一：色の違う粒が混ざった試料は、3 mg の取り方で値が変わる
• 直前の測定：水素 0% の試料の直後に水素 12.76% の試料を測ると 12.31% と出た例があり、推定組成に近い標準試料で装置の状態をそろえる

吸湿の影響を数字で見てみます。アセトアニリドに質量で1%の水が残っていた場合、炭素は 71.09% の99%で 70.38% になり、−0.71 ポイントと ±0.3 の目安を大きく外れます。

図9：水が 1% 混ざったアセトアニリドの分析値はどうずれるか

理論値からのずれ（ポイント）。点線が ±0.3 ポイントの目安で、炭素だけが大きく外れます。

ずれの大きさ（0〜1.0 ポイント）

C 71.09 → 70.38

−0.71H 6.71 → 6.76

＋0.05N 10.36 → 10.26

−0.10

※アセトアニリド C₈H₉NO（理論値 C 71.09%・H 6.71%・N 10.36%）に、質量で1%の水が残った場合の計算値。水の水素（11.19%）が加わるので H はほとんど動きません。

水素がほとんど動かないのは、水そのものが水素を含むからです。炭素だけが低く出て水素が合っている結果を見たら、まず乾燥の不足を疑い、乾燥条件を変えて測り直します。

受託分析に出すときは、装置に入れる 1〜3 mg とは別に、量り直しや再測定の分を含めた量を渡します。北大の受付では固体10 mg 以上・液体20 mg 以上が目安で、推定組成・吸湿性・揮発性も申込書に書くよう求めています。推定組成は、標準試料の選び方に使われます。

窒素・硫黄・ハロゲン・金属の測り方：元素ごとに方法を選ぶ

C・H・N 以外の元素や、試料が多い・成分が微量といった条件では、CHN 装置以外の方法を使います。窒素はケルダール法か燃焼法（デュマ法）、硫黄とハロゲンは酸素フラスコ燃焼法、金属などの無機元素は ICP 発光分析か蛍光X線分析が主な選択肢です。

図10：測りたい元素で、分析の方法を選ぶ

同じ「元素分析」でも、元素の種類と量で装置も前処理も変わります。

C・H・N（S・O）CHN 元素分析装置。数 mg を燃やして数分

窒素（食品・飼料）ケルダール法、燃焼法（デュマ法）

硫黄・ハロゲン酸素フラスコ燃焼法＋イオンクロマトグラフ

金属・無機元素ICP 発光分析（溶液）、蛍光X線分析（固体）

方法	主に測る元素	試料の量・形	前処理	主な使い道
CHN(S) 元素分析装置	C・H・N・S（O は別モード）	1〜3 mg の固体・液体	乾燥・均質化して秤量	合成品の確認、燃料・材料の組成
ケルダール法	窒素（有機態・アンモニウム態）	たんぱく質として約0.1 g（関税分析の例）	濃硫酸で加熱分解（3時間以上）	食品・飼料・肥料のたんぱく質、公定法
燃焼法（デュマ法）	窒素（全窒素）	装置による	粉砕・均質化	食品・飼料のたんぱく質（1検体4〜5分）
酸素フラスコ燃焼法＋イオンクロマトグラフ	硫黄・フッ素・塩素・臭素・ヨウ素	約2 mg	酸素を満たしたフラスコで燃やし吸収液へ	医薬品・有機化合物の S・ハロゲン
ICP 発光分光分析	金属など約70元素	固体2 g 以上・溶液100 mL 以上（依頼試験の例）	酸分解などで溶液にする	微量金属、触媒・合金の組成、水質
蛍光X線分析	多くの元素（装置の例で80元素）	固体・粉体のまま	ほぼ不要（定量には標準物質）	異物の定性、金属・セラミックスの組成

窒素：ケルダール法と燃焼法（デュマ法）

ケルダール法は、試料を濃硫酸と触媒で加熱分解して窒素を硫酸アンモニウムに変え、強アルカリを加えて追い出したアンモニアを蒸留して酸に吸わせ、滴定で量る方法です。1883年に生まれた方法で、今も食品のたんぱく質や医薬品の窒素の公定法に使われています。

日本薬局方のセミミクロケルダール法では、0.005 mol/L の硫酸 1 mL が窒素 0.1401 mg に当たります。これを使うと、滴定の量から窒素の量と、たんぱく質の量まで1行ずつ計算できます。

蒸留したアンモニアを過剰の硫酸に吸わせ、残った酸を水酸化ナトリウムで滴定する方式もあり、その計算は逆滴定の考え方そのものです。換算係数は食品で違い、財務省関税中央分析所の分析法では次の値が定められています。

• 乳と乳製品：6.38
• 小麦・ライ麦・大麦・オート：5.83
• 米：5.95
• 大豆と大豆製品（分離大豆たんぱく質を除く）：5.71
• その他：6.25

燃焼法（改良デュマ法）は、CHN 装置と同じく試料を 900〜1,000℃で燃やし、窒素酸化物を還元管で N₂ に戻して TCD で測る方法です。

関税中央分析所の比較では、ケルダール法が前処理だけで最低3時間かかり、濃硫酸の分解で亜硫酸ガスが出るのに対し、燃焼法は1検体4〜5分で強酸も強アルカリも使いません。

同じ比較では、燃焼法の値がケルダール法よりやや高めに出る傾向があり（硝酸態窒素などたんぱく質以外の窒素まで測るため）、2つの方法の相関は R²＝0.9997 と高い結果でした。食品のたんぱく質を色で確かめる反応との違いはアミノ酸・タンパク質の検出反応で、定量の方法として整理しています。

ハロゲンと硫黄：酸素フラスコ燃焼法

塩素・臭素・フッ素・ヨウ素や硫黄は、酸素フラスコ燃焼法で溶液にしてから、イオンクロマトグラフで量るのが基本です。約2 mg の試料をろ紙で包んで白金の網に挟み、酸素で満たしたフラスコの中で燃やすと、硫黄やハロゲンがイオンになってフラスコの吸収液に溶け込みます。

この方法は1892年のヘンペルによる石炭中の硫黄の定量に始まり、シェーニガーが少量の試料で使えるミクロ法として完成させたもので、日本薬局方の一般試験法にも収められています。北大の資料では、絶対誤差は硫黄・塩素で ±0.30 ポイント、フッ素・臭素で ±1.00 ポイントです。

塩化物イオンを銀イオンで沈殿させて量る古典的な方法は、ハロゲン化銀の性質と同じ反応を使っています。酸素フラスコ燃焼法は手作業の細かい操作が要り、北大の発表でも実験条件を分析者が自分で検討する必要があると述べています。

金属などの無機元素：ICP 発光分析と蛍光X線分析

金属などの無機元素は燃やしても気体にならないので、別の原理の装置を使います。ICP 発光分析は溶液にして微量まで、蛍光X線分析は固体のまま主な成分を測るのが基本の分担です。

ICP 発光分析は、試料溶液を高温のプラズマに吹き込み、元素ごとに決まった波長の光の強さから量を求めます。埼玉県産業技術総合センターの依頼試験では約70元素が対象で、固体は酸分解などで溶液にし、溶液で 0.1 mg/L、固体で 0.01% まで測れます。

蛍光X線分析は、X線を当てたときに元素が出す固有のX線を読み取る方法で、粉や板のまま測れます。三重県工業研究所の調査では、測れる濃度は ppm から % の範囲で、近隣の公設試が金属やセラミックスの定性分析には蛍光X線、定量には ICP 発光分析を使っていると報告されています。

蛍光X線で正確に定量するには、成分の近い標準物質で検量線を作る必要があります。元素ごとに出るX線のエネルギーが違う理由は有効核電荷とX線分析で、原子の内側の電子から説明しています。

品質管理・受託分析・新規化合物での使われ方

元素分析の値は、合成した化合物が狙いどおりかの確認、燃料や廃棄物の物質収支、食品のたんぱく質の表示など、目的ごとに違う精度で使われています。どの用途でも、試料の取り方と前処理が結果を左右する点は共通です。

図11：元素分析が使われる主な場面

新しい化合物の確認から、燃料・食品・環境の数字づくりまで、目的ごとに求める精度が違います。

新規化合物の純度確認計算値との差が ±0.4 ポイント以内かを見る。論文・社内の合成記録

燃料・廃棄物の物質収支石炭・バイオマス・廃プラの C・H・N・S。燃焼計算や発熱量に使う

食品・飼料のたんぱく質窒素量に換算係数（多くは 6.25）を掛けて表示値や分類に使う

環境・規制への対応樹脂中の臭素（RoHS の臭素系難燃剤）、土壌の C/N 比

新しい化合物を合成したときは、元素分析の値が分子式からの計算値と ±0.4 ポイント以内に入るかを、純度の目安として確かめます。

NMR や質量分析が構造を教えてくれるのに対し、元素分析は溶媒・水・無機塩の残りまで含めた試料全体の組成を示すので、乾燥不足や塩の混入に気づく手段になります。研究所で合成から量産移管までを進める流れは研究開発の仕事の流れで見られます。

石炭・コークスでは、機器分析装置で元素分析をする方法が JIS M 8819 に定められていて、北大の受託分析もこの規格に沿った依頼を受けています。

大阪産業技術研究所は、石炭・バイオマス・廃プラスチック・汚泥のように不均一な試料を最大 500 mg まで燃やせる大量型の装置を使い、物質収支や発熱量の算出に役立てています。

燃料の C・H・S の割合が分かると、燃やしたときに出る排ガスの量や必要な空気の量が計算できます。その計算の進め方は排ガス量の計算方法、石炭の品質を工業分析の値で比べる見方は石炭の燃料比で扱っています。

食品・飼料では、たんぱく質の量を窒素から換算して表示や分類に使います。食品表示基準では、たんぱく質の測定法は窒素定量換算法とされ、税関でもペットフードや乳製品の分類を、窒素量から出した粗たんぱく質の値で判断しています。

環境・規制への対応でも、元素の量そのものが判断材料になります。北大の受託分析では、電気電子機器の有害物質規制（RoHS）で対象になる臭素系難燃剤の確認や、土壌の C/N 比の測定にも元素分析が使われています。

社内で装置を持たず受託分析に出す場合も、結果の読み方は同じで、推定組成と比べて合わなければ試料の乾燥・均質化からやり直します。分析値を製品の規格や出荷判定にどう組み込むかは品質保証の仕事の流れが参考になります。

元素分析のよくある質問

元素分析で物質の構造まで分かりますか？

分かりません。元素分析で決まるのは元素の割合と組成式までで、分子量と組み合わせても分子式までです。同じ分子式の異性体を区別するには、赤外吸収スペクトル・NMR・質量分析などを使います。

元素分析に必要な試料はどれくらいですか？

CHN 元素分析装置が1回に燃やすのは1〜3 mg ほどです。受託分析に出すときは再測定の分も含めて、固体なら10 mg 以上、液体なら20 mg 以上を求める分析機関があります。

ソーダ石灰の代わりに水酸化ナトリウム水溶液を使ってもよいですか？

CO₂ を吸う働きは同じで、リービッヒの装置も水酸化カリウムの水溶液で CO₂ を吸っていました。水の量を正しく量るには、ソーダ石灰と同じく必ず塩化カルシウム管の後ろに置きます。

塩化カルシウムの代わりに使える乾燥剤はありますか？

CO₂ と反応しない中性か酸性の乾燥剤なら同じ位置に使えます。今の CHN 装置では、水の吸収に過塩素酸マグネシウムを使う例があります。

まとめ

元素分析は、教科書の計算問題としても、分析室の日常業務としても、燃やして出てきたものから元の姿を逆算するという同じ考え方で成り立っています。試料1〜3 mg の数字の裏には、乾燥・秤量・標準試料の選び方といった地道な前処理があります。

化学メーカーで分析や品質の仕事がどこに位置づけられるかは、次の記事で業界の全体像から確かめられます。

出典

出典・参考資料（12件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 燃焼分析の歴史とリービッヒの装置：W. B. Jensen「Liebig and Combustion Analysis」（シンシナティ大学 Oesper Collections、2016）
• CHN 分析の流路・許容誤差・試料の注意点、S・ハロゲン分析：北海道大学 総合研究基盤連携センター「元素分析をご依頼の方へ（CHN＆S, Halogen）」
• 装置の方式と微量試料の秤量：千葉大学 共用機器センター「有機元素分析装置」
• CHNS 分析の原理と大量型の装置：大阪産業技術研究所 技術シート No.20-04「有機元素分析装置」
• 酸素の直接定量：阪本秀策ほか「有機微量分析に関する知見（第25報）酸素の直接定量法の研究 その2」薬学雑誌 80(1)（1960）
• 酸素フラスコ燃焼法：徳光藍ほか「有機微量元素分析における硫黄，ハロゲン分析法」（北海道大学）
• ケルダール法と改良デュマ法の比較：長谷川美来ほか「ケルダール法と改良デュマ法による全窒素分定量についての比較」関税中央分析所報 第56号
• 窒素／粗たんぱく質換算係数：財務省 関税中央分析所「粗たんぱく質の定量分析法」
• 窒素定量法（セミミクロケルダール法）：厚生労働省「第十八改正日本薬局方」一般試験法
• 栄養成分表示のたんぱく質の測定法：東京都保健医療局「食品表示の手引き 栄養成分表示」
• ICP 発光分析の前処理と定量下限：埼玉県産業技術総合センター「ICP発光分析装置による分析」
• 蛍光X線分析と ICP の使い分け：西川奈緒美「各種材料の分析評価技術の調査研究」三重県工業研究所