Environmental Organic Chemistry（環境有機化学）

引用

Schwarzenbach, R. P., Gschwend, P. M., & Imboden, D. M. (2016). Environmental Organic Chemistry (3rd ed.). Wiley.

章の要約

第3版は導入の章に続いて27章が6つの部にまとめられ、付録がつく。全体で約1,000ページである。著者は意図的に幅広い目標を掲げている。分子間相互作用から環境系全体の力学まで、この分野全体を統合し、環境科学・工学、地球科学、化学、物理学を学ぶ学生の教科書として、また実務者のための参考書とすることである。文体はいくぶん口語的で、各章の末尾には問い、問題、参考文献があり、読み進めることで有機化学物質への曝露を定量的に評価する力が築かれるように構成されている。

第1章：主題と概観

環境中の有機化学物質の評価を紹介し、本書の6つの部を案内する。

第I部、第2–6章：予備知識

内容の異なる5つの章が、後で必要となる化学、物理、数学の知識を与える。第2章「有機化学物質に関する予備知識」は、有機化合物の構成と分子間力を復習する。第3章「人為起源の有機化学物質の驚くべき世界」は、残留性有機汚染物質、石油炭化水素、溶媒、難燃剤、ポリフッ素化合物、医薬品、農薬といった化学物質の群を概観し、本書を通じてモデル化学物質として用いられる「仲間の化合物（companion compounds）」を紹介する。第4章「熱力学、平衡分配、酸解離定数の予備知識」は、熱力学関数と有機酸・有機塩基を扱う。第5章「地球システムとコンパートメント」は、大気、地表水と堆積物、土壌と地下水、生物相を述べる。第6章「環境システム：物理過程と数理モデル化」は、ボックスモデルと時空間における輸送を導入する。

第II部、第7–11章：明確な系における平衡分配

第7章はバルク相間の分配と線形自由エネルギー関係を扱う。第8章は蒸気圧、第9章は水溶解度、活量係数、空気–水分配定数、第10章は有機液体–空気および有機液体–水間の分配（オクタノール–水系を含む）、第11章は非イオン性化合物の明確な表面と空気または水との間の分配を扱う。

第III部、第12–16章：環境系における平衡分配

第12章は吸着等温線と固体–水分配係数を導入する。第13章は天然有機物への吸着、第14章はイオン性化合物の荷電表面への吸着、第15章はエアロゾル–空気分配と乾性・湿性沈着、第16章は生物への分配（生物蓄積、生物濃縮、基準毒性（麻酔作用）を含む）を扱う。

第IV部、第17–20章：環境系における物質移動過程

第17章はランダム運動と分子拡散・乱流拡散、第18章は境界での輸送、第19章は空気–水交換、第20章は固体を含む界面、すなわち堆積物–水界面と不飽和土壌中の輸送を扱う。

第V部、第21–27章：変換過程

第21章は反応部位、変換の熱力学と反応速度論の予備知識を与える。続く章は、加水分解とその他の求核剤との反応（22）、酸化還元反応（23）、水系での直接光分解（24）、天然水と大気中での光酸化剤との間接光分解（25）、生物変換（26）、化合物特異的同位体分析による変換の評価（27）を扱う。

第VI部、第28章：簡単なモデル化手法による有機汚染物質の曝露評価

最終章は、1ボックスモデル、簡単な多媒体系での平衡分配、簡単な動的系、移流に駆動される系を通じて、全体をまとめ上げる。そのあとに付録が続く。

主要概念

第I・II部

• 分配定数：化合物が空気、水、有機液体、表面の間でどう分布するかを表す比。
• 線形自由エネルギー関係：分子構造から分配定数を推定するための相関式。
• ボックスモデル：環境系の最も単純な定量モデル。

第III・IV部

• 吸着と分配係数：天然有機物、鉱物表面、エアロゾルへの結合。
• 生物蓄積と生物濃縮：生物への、また食物連鎖を通じた分配。
• 空気–水交換と境界での輸送：物質移動の速度論的制約。

第V・VI部

• 変換経路：加水分解、酸化還元反応、光分解、生物変換。
• 化合物特異的同位体分析：実験室と現場での変換を評価する手段。
• 曝露評価：分配、輸送、反応をモデルで組み合わせること。

批判的分析

長所

• 構造から環境中の運命まで一貫した論理。 全体は分子間相互作用と平衡分配から、反応速度論と変換、そしてモデル化へと進み、第II部で得られる性質が後の部での吸着や物質移動の議論に使われることを著者は示している。
• 教育的な装置。 各章末には、その章の最も重要な点を示す問いと問題がある。出版社によれば、全問題の解答と、物理定数や化合物の性質の大規模な集成を載せた付属ウェブサイトがある。
• 明確な入口。 著者は、第I部は講義の前に読むか、節ごとに必要に応じて参照できること、後の部の章はしばしば独立して読めることを示唆している。
• 分配と変換の教えやすい扱い。 出版社は、この版を相分配と変換過程のより全体的で教えやすい扱いと説明している。

短所

• 深さより幅。 著者は、本書が関連するすべての話題の最も重要な側面を紹介・統合するもので、どれかを網羅的に扱うものではないと述べており、専門家は挙げられた文献に進むことになる。
• 分量と要求水準。 約1,000ページで、全体を通して熱力学、反応速度論、数理モデル化を用いる。有機化学の素養が乏しい読者には、入門的な有機化学の教科書を参照するよう著者は勧めている。
• 総合は前のすべてに依存する。 著者は、第28章のケーススタディを解くには、多くの前の章の情報に立ち戻る必要があるのが普通だと述べており、この章だけを単独で使うことはできない。

コースにおける位置づけ

環境化学・グリーンケミストリーのコースでは、本書は水・土壌・大気・生物の中での有機化学物質の挙動を扱う大学院レベルの本である。『Chemistry in Context』は環境・社会の課題を通して化学を導入し、Raff と Hites の『Elements of Environmental Chemistry』は濃度とフラックスの推定に関する短い定量的入門書、Manahan の『Environmental Chemistry』は化学の原理を大気・水・土壌・生物系にわたって応用する。いずれも適切な準備になる。Lancaster の『Green Chemistry』はより安全な化学製品とプロセスの設計を扱い、既存の化学物質の運命の評価を補完する。

Seinfeld と Pandis の『Atmospheric Chemistry and Physics』は自然な併読書である。あちらは大気とその気体・粒子に集中するのに対し、Schwarzenbach、Gschwend、Imboden は有機化学物質をすべての環境区分にわたって追う。エアロゾル–空気分配、空気–水交換、大気中の光酸化を扱う章は、あちらの本と重なる。

本書の使い方

本書は、環境科学・工学・化学の大学院生や学部上級生、そして有機汚染物質の挙動を見積もる必要のある実務者に向く。実際に必要な前提は有機化学と物理化学であり、第I部は後の部が用いる化学、物理、数学、環境の背景を提供する。

実践的な進め方は次のとおり。

• 基礎： 第I部。第4章と第6章は丁寧に読み、第2、3、5章は復習または参照として扱う。
• 環境中の運命を扱う講義の妥当な核： 第II部、続いて第III部の第12、13、16章、さらに第19、21、22、23章。
• 関心に応じて： イオン性化合物とエアロゾルは第14・15章、光化学は第24・25章、生物変換は第26章、同位体分析は第27章。
• 総合： 土台が整ってから第28章。

章末の問いに答え、そのあと問題と付属ウェブサイトで計算を確かめる。