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クエン酸の無水と結晶の違いを解説&実験【化学的には別の物質】

クエン酸の無水と結晶の違いを解説

化学的には、クエン酸には無水物(無水)一水和物(結晶)の2種類があります。一口に「クエン酸」といっても、この2種類は、実は別の物質なのです。

この記事では、有機化学の知識を持つ筆者が、無水と結晶のクエン酸の違いを、実験などを交えつつ丁寧に解説します。

また、無水と結晶の重さと価格からお買い得な方を判別したり、無水と結晶の重量を相互に換算したりできる計算ツールも、本ページに設置しています。

化学的には無水と結晶(水和物)の2種類のクエン酸がある

クエン酸には、「クエン酸無水物むすいぶつ」と「クエン酸一水和物いちすいわぶつ」の、2種類の物質があります。各クエン酸の、食品添加物公定書と日本薬局方での名称は、下表のとおりです。

クエン酸の種類と名称
クエン酸無水物 クエン酸一水和物
化学式 C6H8O7 C6H8O7・H2O
食品添加物
としての名称
クエン酸(無水) クエン酸(結晶)
日本薬局方
での名称
無水クエン酸 クエン酸水和物

この記事では主に、食品添加物での「クエン酸(無水)」と「クエン酸(結晶)」という名称を使って、2種類のクエン酸の違いを解説します。

本記事の序盤では、両者の化学的な違いを概説します。

クエン酸の「無水と結晶の違い」は水分子の有無

クエン酸分子の構造式上図は、クエン酸の構造式です。すべてのクエン酸分子は、上図に示した分子構造を有します。

クエン酸(無水)として販売されている「無水クエン酸」は、このクエン酸分子のみでできた固体です。

一方、クエン酸(結晶)として販売されている「クエン酸一水和物」は、クエン酸1分子あたり、水1分子を伴った固体です。

無水と結晶のクエン酸のイメージ画像。
クエン酸(結晶)の結晶中では、クエン酸分子と水分子が規則的に並んでいます。
無水と結晶のクエン酸の違い

このように、水和物の結晶中に、結晶の構成成分として取り込まれている水分子を、水和水すいわすい(もしくは結晶水けっしょうすい)と呼びます。水和水は、クエン酸と弱い結合をして固体に取り込まれていますが、水に溶かす際にはバラバラになります。

つまり、水溶液にすれば、溶かすために加えた水の分子も、元は水和水だった水の分子も、もはや区別が付きません。

クエン酸(結晶)を水に溶かした場合の水和水の振る舞い

また、化学では、水和物に含まれる水分子を不純物とは見なしません。「クエン酸一水和物」という純粋な物質として、「無水クエン酸」とは別の物質と分類されます。

クエン酸一水和物に対して、食品添加物公定書で定められた「クエン酸(結晶)」という名称は、あくまで食品添加物としての名称です。

化学的性質としては、どちらのクエン酸も結晶性の固体です。

ややこしいですが、食品添加物としての名称を使って化学の話をするなら、「クエン酸(無水)の結晶」も「クエン酸(結晶)の結晶」も、どちらも存在します。

クエン酸(結晶)は、重さの1割近くが水

一水和物であるクエン酸(結晶)は、1対1の分子数比で、クエン酸分子と水分子からできています。分子量から計算すると、クエン酸(結晶)は、全体の重さの8.57%ほどが水分子です。下に、重量比での組成を図示します

含まれるクエン酸分子の重さで考えると、クエン酸(結晶)1 kgは、クエン酸(無水)914 gほどに相当します。

同じ重さで同じ価格なら、結晶よりも、無水のクエン酸がお得です。(重さや価格が異なる場合、本ページ下部にあるツールで比較・判別できます。)

また、クエン酸(結晶)の水和水は、水に溶かしたときの濃度にも影響します。例えば、クエン酸10 gを90 gの水で溶かして、100 gにした場合、下の画像のようになります。

無水と結晶のクエン酸から水溶液を調製した場合、濃度が異なる。クエン酸濃度は計算上、無水から調製すると10%ですが、結晶から調製すると9.14%です。このように、同じ分量で水溶液を作っても、クエン酸の種類により、濃度が多少異なります。

クエン酸(結晶)を用いて、特定の濃度の水溶液を作る場合、水和水の重さを考慮した量を溶かす必要があります

無水と結晶のクエン酸の外見の違い

クエン酸の無水と結晶では、見た目が異なります。ただし、製品によって、同じ物質でも形状が異なる場合もあります。また、見慣れていないと両者の違いは分かりにくいです。

参考までに、それぞれのクエン酸のマクロ撮影写真を掲載しておきます。

無水のクエン酸は柱状で角ばっていて、結晶のクエン酸は比較的丸みがある場合が多いです(製品により見た目が異なる場合もあります)
無水と結晶のクエン酸の形状を比較すると、無水は角ばっており、結晶は丸みも感じられる。

より確実に無水と結晶のクエン酸を判別するには、融点の違いを利用するのがおすすめです。その方法や手順は、後の章で解説しています。

クエン酸の選び方は?無水と結晶はどっちがいい?

クエン酸は、(食用に使うなら食品添加物に限定したうえで)基本的には安いものを選べばよいと思います。とはいえ、数多くの商品から選ぶのは大変なので、失敗の少ないジャンルを示しておきます。

結論としては、食品添加物のクエン酸(無水)から選ぶのがおすすめです。

食品添加物のクエン酸(無水)がおすすめな理由
  • 比較的安価に入手しやすい
    (掃除用より割安なことも多い)
  • 食用にも使える
  • 結晶より固まりにくい
  • 重量の全てがクエン酸なので物流・保管コストの面で多少優れる
    (結晶は重量の9%近くが水)
  • 使用量や濃度をきっちり計算したい場合に結晶だと計算が複雑
  • そもそも掃除用だと無水か結晶か表記がない場合が多い

掃除や清掃にも、食品添加物のクエン酸を使って問題ありません。

食品添加物でも掃除用でも、同じ物質である以上、性質も同じです。「掃除用」と印刷されたパッケージに詰められた瞬間、掃除に適した性質に変わるわけではないのです。

掃除用と食品添加物のクエン酸の違いは、別の記事で詳しく解説しています。
クエン酸の食用と工業用・掃除用の違いは「純度」ではない|カガクなキッチン

比較的安価でおすすめのクエン酸(食品添加物の無水クエン酸)を、下にいくつか掲載します。

無水クエン酸 1kg (食品添加物グレード)NICHIGA (ニチガ)
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クエン酸(無水)1kg 食品添加物marugo (マルゴ)
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いくぶん割高 丈夫なボトル入り

ただし、1kgなどの大容量でなく、少量の製品では、掃除用の方が安い傾向にあります。少量でよい場合は、掃除用のクエン酸や、100均のクエン酸なども検討するとよいでしょう。

クエン酸の無水と結晶の違いにまつわる実験をしてみた!

クエン酸の無水と結晶(一水和物)は、異なる物質であり、物理的・化学的性質も当然ながら異なります。

この章では、2種類のクエン酸の性質の違いに関係する「2つの実験」を行います。

実験1 融点の違いで無水と結晶のクエン酸を判別

手元にあるクエン酸が、無水か結晶か不明の場合、両者の融点の違いを利用すると、家庭でも見分けることが可能です。固体のクエン酸のほか、下の3つを使います。

  • コンロ
  • 鍋やフライパン(小さめのものでよい)
  • ステンレス製のスプーン(小さいとお湯が流入しやすいので、大きめがよい)
    お玉やレードルなどでも代用可能

無水物の融点153℃に対し、結晶(一水和物)のクエン酸はちょうど100℃の融点を持つので、沸騰水上での加熱でも融けることを利用します

お湯を沸騰させながら行うので、真似する際は、やけどなどに十分注意してください。

クエン酸の無水と結晶(一水和物)を判別する方法
  1. 鍋に、あふれない程度に多めのお湯を沸騰させた後、火力を弱めて穏やかに沸騰させておく。
  2. スプーンの中央に、少量のクエン酸の固体を乗せる。
    (多すぎると融けたか分かりにくい。少量を薄く広げるように乗せる。)
  3. スプーン中に直接お湯が流れ込まないよう注意深く、お湯の水面に、スプーンの背(下部)を接触させる。
  4. クエン酸一水和物(結晶)なら、数秒のうちに固体が融ける。無水クエン酸なら、10秒以上経っても、一向に融ける気配がない。

クエン酸が無水か結晶かを融点で判別する手順

この方法で、実際にクエン酸(結晶)を融かしてみました。

融点が100℃のクエン酸(結晶)を少量、大きめのスプーンの上に薄く広げます。
スプーンにクエン酸(結晶)を乗せた様子
鍋にお湯を穏やかに沸騰させた状態で、スプーンの腹を水面に接触させると、3秒ほどでクエン酸が融けてきました。
沸騰水上でクエン酸(結晶)を加熱する様子
加熱前(左)と加熱後(右)のクエン酸(結晶)わずか数秒でこのように融けました。加熱後の写真は、融けた後に加熱をやめ、冷えて再び固まった状態です。
加熱前後のクエン酸(結晶)の様子。加熱後は、クエン酸が融けた後に、一つの塊になっている。
加熱前後のクエン酸(無水)。結晶とは異なり、20秒ほど加熱しても、全く融ける気配はなく、目立った変化は観察できませんでした。
加熱前後のクエン酸(無水)。クエン酸(結晶)と異なり、加熱後も固体の状態に変化は見られない。

クエン酸の種類が不明でも、この方法で融ければクエン酸(結晶)、融けなければクエン酸(無水)と推定できます。

標高の高い地点では、水の沸点が100℃に満たず、この方法が上手く機能しない可能性があります。

そうした場合、濃厚な食塩水を使えば、沸点を上げられます。大まかな目安としては、食塩の濃度が5%高まるごとに、沸点が1℃程度上昇します。

例えば標高1000m地点では、真水の沸点は97℃を下回ることが多いですが(気象条件でも変動)、約20%の食塩水を沸騰させれば、おそらく100℃以上になるはずです。

実験2 クエン酸を風解・潮解させてみた

クエン酸(結晶)は水和水を持っており、乾燥した空気中で風解ふうかいします。また、無水と結晶のどちらのクエン酸も、潮解ちょうかい性があり、湿った空気から水を吸収します。

そこで、ビーカーに入れたクエン酸を以下の条件で放置し、風解、または潮解させました。

クエン酸の風解と潮解の実験内容
風解
大型のビーカーに、クエン酸を入れた小型ビーカーと乾燥剤を入れ、2枚の厚手のビニール袋で二重に密封して1ヶ月間放置(結晶のみで実験)。
潮解
1cm程度の深さの水を張った大きなタッパーにクエン酸の入ったビーカーを入れ、フタをして1ヶ月間放置(無水と結晶で実験)。
11月~12月にかけて1ヶ月(30日)間放置。期間中の室温変化は、およそ13~22℃の範囲内でした。
クエン酸の風解と潮解に関する実験

1ヶ月間放置した後、クエン酸の変化を観察しました。また、クエン酸が保管中に固まる理由として、湿気が原因とする情報も、乾燥が原因とする情報もあったので、潮解と風解のどちらが固まる原因か真相を確かめました。

その結果、次のような知見が得られました。

クエン酸の「乾燥による風解」について
  • クエン酸(結晶)は乾燥した空気中で風解するが、固まりにはならず、サラサラの状態のまま。
  • クエン酸(結晶)が風解すると、白く不透明となり、見た目が大きく変化する。
クエン酸の「湿気による潮解」について
  • クエン酸は無水も結晶も、簡単に実験で確認できる程度に潮解性がある。
  • クエン酸は、潮解すると固まりやすい。湿気による潮解が、保管中にクエン酸が固まる原因。
  • 同条件でクエン酸を潮解させると、結晶の方が無水よりも早く、水溶液でひたひたの状態になる。ただし、同条件での吸湿量は、無水と結晶で大差は無い。

順に、それぞれの実験の結果を詳しく掲載します。

クエン酸(結晶)は乾燥による風解で白く不透明になる

乾燥剤(シリカゲル)の存在下に風解させたクエン酸(結晶)は、元とは外観が大きく異なる、白く不透明な固体になりました。ただし、風解しても固まることはなく、サラサラの状態でした。

乾燥剤共存下、1ヶ月間かけて風解させたクエン酸(結晶)。風解により不透明になっています。
乾燥剤と共存させ1ヶ月間かけて風解させたクエン酸(結晶)
光沢や透明度は失われたものの、固まってはおらず、サラサラの状態です。
風解させたクエン酸(結晶)はサラサラで固まっていない
クエン酸(結晶)の新品と比較。左の新品に比べ、風解した右の方は不透明になっています。
風解する前後のクエン酸(結晶)を比較すると、風解した方は不透明になっている。
風解前の新品(左)と風解後(右)。全く外観が異なります。
風解前後のクエン酸(結晶)を比較したクローズアップ写真

クエン酸は湿気で潮解して固まったり水溶液になったりする

クエン酸を湿った空気中に保管すると、徐々に潮解します。空気中に水蒸気として存在する水分子を取り込んで、固体表面から徐々に溶けて飽和水溶液となっていくのです。

潮解が進行すると、固体表面が湿るだけに留まらず、固体が溶液に浸るような状態になります。さらに進行すれば、いずれ全ての固体が溶けて水溶液となります。

今回の実験で潮解させたクエン酸。左の無水は固体表面が湿っていて、右の結晶に至っては固体が溶液に沈んでいます。
実験的に潮解させた2種類のクエン酸

保管中にクエン酸が固まる原因は、湿った空気中での潮解です。

クエン酸(無水)の方は、ビーカーを逆さにしてもこぼれないほどに固まっていました。

潮解したクエン酸(無水)は、表面が湿っており、ビーカーを反転させてもこぼれないほど固まっています。
1ヶ月間かけて潮解させたクエン酸(無水)
新品のクエン酸(無水)はサラサラの結晶性固体ですが、潮解後はサラサラ感がなく、粗塩のような質感です。
潮解させたクエン酸(無水)はサラサラ感がなくなっている

クエン酸(結晶)の方も、吸湿して溶液に浸る状態でありながら、固体の部分を掻き出すとかなり固めのシャーベット状でした。

1ヶ月間潮解させたクエン酸(結晶)。ビーカーを傾けると、液体(クエン酸水溶液)が染み出してきます。
かなり潮解が進んだクエン酸(結晶)
溶液に浸った状態だったものの、クエン酸(結晶)の固体部分は、無水の方よりもしっかりと固まっていました。
ビーカーから潮解したクエン酸(結晶)を掻き出している様子
潮解が進み、シャーベット状になったクエン酸(結晶)。
潮解が進みシャーベット状になったクエン酸(結晶)

今回の潮解の実験では、見た目ではクエン酸(結晶)の方が、より潮解が進んだように見えます。しかし、重量の増加率としては下表のとおり、無水の方がいくぶん多くの水を取り込んでいました

潮解させたクエン酸(無水と結晶)の重量変化
クエン酸
(無水)
潮解前 30.00 g
潮解後 34.87 g
重量増加率 +16.2%
クエン酸
(結晶)
潮解前 30.00 g
潮解後 34.45 g
重量増加率 +14.8%

水和物であるクエン酸(結晶)は、もともと結晶中にある水和水も、吸湿した水とともに水溶液を作り出します。このため、無水物より若干少ない吸湿量でも、より多くの水溶液が生じたと考えられます。

クエン酸(結晶)とクエン酸(無水)の換算・計算ツール

クエン酸の無水と結晶で、同じ物質量(同じ分子数)のクエン酸を含むように重さを換算したり、購入時にお得な方を判断したりするには、物質量(モル)の計算が必要です。結晶の方は、前述のとおり、水分子が含まれるためです。

そこで本ページには、筆者が作成した3つの計算ツールを設置しており、誰でも簡単に計算ができます。ぜひ、ご活用ください。

  1. 無水と結晶でお買い得な方を判断するツール
  2. 無水から結晶へと、物質量(mol)が等しくなるよう重さを換算するツール
  3. 結晶から無水へと、物質量(mol)が等しくなるよう重さを換算するツール
使い方・注意点
  • 数値は、半角数字で入力してください。整数だけでなく、小数も入力できます。数値入力後にボタンを押すと計算結果を表示します。
  • JavaScriptが動作しない環境や、Internet Explorerなどの旧世代ブラウザでは使えません。
  • 計算結果のスクリーンショットは、誰でも自由にウェブ媒体・SNS・動画等への掲載、引用が可能です。

⒈クエン酸の無水と結晶、お買い得な方を判別するツール

クエン酸(結晶)は、クエン酸1分子につき水1分子を含みます。そのため、クエン酸の無水と結晶では、同重量で同価格なら、無水の方がお買い得です。

重さや価格が異なる場合、お得な方を判断するには、物質量(モル数)を考慮した計算が必要です。

この計算ツールは、無水と結晶それぞれの内容量(グラム)と価格を入力すると、1モルあたりの価格を計算して割安な方を自動で判別し、文章と棒グラフで結果を出力します。

このプログラムは消費税を考慮せずに計算を行います。2つの商品の価格は、税込みか税抜きか、どちらかに統一して入力してください。

クエン酸(無水)

クエン酸(結晶)

ここに計算結果が表示されます。
4つの数値を入力し、比較ボタンを押してください。

⒉クエン酸(無水)◯gを、クエン酸(結晶)の重さに換算するツール

クエン酸(無水)の重さを入力すると、等しい物質量(等しいクエン酸分子の数)を含むクエン酸(結晶)の重さを計算します。

を、相当するクエン酸(結晶)の重さに換算

ここに計算結果が表示されます。
数値を入力し、実行ボタンを押してください。

⒊クエン酸(結晶)◯gを、クエン酸(無水)の重さに換算するツール

クエン酸(結晶)の重さを入力すると、等しい物質量(等しいクエン酸分子の数)を含むクエン酸(無水)の重さを計算します。

を、相当するクエン酸(無水)の重さに換算

ここに計算結果が表示されます。
数値を入力し、実行ボタンを押してください。

まとめ・参考文献

クエン酸には、無水と結晶(一水和物)があります。両者は異なる物質であり、異なる性質を示します。もっとも、性質が異なるのは固体の話であり、水に溶かした後は、同じ濃度にすれば全く同じ性質を示します。

また、水和水を含むかどうかで、同じ重さあたりにどれだけのクエン酸(クエン酸分子)を含むかも変わります。2種類のクエン酸の価格は、同じ内容量であっても単純比較ができないことに注意が必要です。