４つの「化学の基本法則」｜「原子説」と「分子説」の周辺

18世紀後半ごろから，実験などによって[質量保存の法則]，[定比比例の法則]，[倍数比例の法則]，[気体反応の法則]など，実験によって様々な「化学の基本法則」が発見されてきました．

基本法則というだけあって，これらの法則は今日でも頻繁に用いられ，これらなしで現在の化学を語ることはもはや不可能となっています．

さて，「物質はどこまでも分割できるのか，それ以上分割できない最小粒子からできているのか」といった議論は古来よりなされてきました．

この疑問の答えとして[原子説]や[分子説]が現れました．その契機となったのが，上に挙げたような「化学の基本法則」の発見でした．

この記事では，「化学の基本法則」と[原子説]，[分子説]についてまとめます．

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1 化学の基本法則の流れと覚え方
2 原子説まで
3 分子説まで

化学の基本法則の流れと覚え方

「化学の基本法則」の発見と[原子説]，[分子説]の時代的な流れは

質量保存の法則(ラボアジエ)
定比例の法則(プルースト)
原子説(ドルトン)
倍数比例の法則(ドルトン)
気体反応の法則(ゲーリュサック)
分子説(アボガドロ)

です．なお，かっこの中身は発見者，または提唱者です．

この記事では，この流れに従って説明していきます．

気持ちとしては，「原子説まで」と「分子説まで」の2つの流れを意識して読んでみてください．

覚え方としては，例えば

基本法則：知ってる現場気分
提唱者：ラボのフルート盗るゲーム？アホか！

の語呂合わせで覚えられます．

この語呂合わせは今考えたのですが，いかがでしょうか？

原子説まで

ドルトンによって[原子説]が提唱されるまでの流れをみてみます．

質量保存の法則

1774年，ラボアジエ(フランス)によって[質量保存の法則]が発見されました．[質量保存の法則]は実験で簡単に確かめることができるので，小学校，中学校の理科の実験で扱われることがよくあります．

[質量保存の法則]は次のように述べられます．

[質量保存の法則]　化学反応の前後において，物質の総質量は変化しない．

たとえば，石灰石(炭酸カルシウム) $\mathrm{CaCO_3}$ に塩酸 $\mathrm{HCl}$ をかけると，塩化カルシウム $\mathrm{CaCl_2}$ ，二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ ，水 $\mathrm{H_2O}$ が発生します．

$\mathrm{CaCO_3+2HCl\to CaCl_2+CO_2+H_2O}$

この反応を次のように行います．

二股試験管に塩酸 $\mathrm{HCl}$ と石灰石(炭酸カルシウム) $\mathrm{CaCO_3}$ を反応しないように入れ，栓をします．このとき，重さを計ると，全部で $100[\mathrm{g}]$ だったとしましょう．

その後，二股試験管を傾けて反応させます．

反応後は，栓をしたままだと全部で $100[\mathrm{g}]$ ですが，この栓を抜くと質量が減少します．

どうしてこのようなことが起こるかというと，[質量保存の法則]から反応前と反応後で総質量は変化しません．なので，栓をした状態だと，反応の前後で総質量は変化しません．

ですが，栓を抜くと，発生した二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ が空気中へ抜け出てしまうので，その抜け出た二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ の分だけ質量が減少するわけです．

定比例の法則

1799年，プルースト(フランス)によって[定比例の法則]が発見されました．

[定比例の法則]は次のように述べられます．

[定比例の法則]　物質Aと物質Bが同一の化合物であるとき，物質Aを構成する元素の質量比と物質Bを構成する元素の質量比はいつでも等しい．

水道をひねって出てくる水道水の水 $\mathrm{H_2O}$ だろうが，カスピ海の水 $\mathrm{H_2O}$ だろうが，水を構成する水素元素 $\mathrm{H}$ と酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量比は同じであるということですね．

具体的には，水を構成する水素元素 $\mathrm{H}$ と酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量比は常に $1:8$ です．

これは，水素原子 $\mathrm{H}$ の原子数が $1$ ，酸素原子 $\mathrm{O}$ の原子数が $16$ なので，水 $\mathrm{H_2O}$ に含まれる水素原子 $\mathrm{H}$ の原子量の総和が $2$ ，酸素原子 $\mathrm{O}$ の原子数が $16$ ですから， $2:16=1:8$ となります．

同様に，二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ を構成する炭素元素 $\mathrm{C}$ ，酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量比は $12:16\times2$ から常に $3:8$ ですし，炭酸水素ナトリウム $\mathrm{NaHCO_3}$ を構成するナトリウム元素 $\mathrm{Na}$ ，水素元素 $\mathrm{H}$ ，炭素元素 $\mathrm{C}$ ，酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量比は $23:1:12:16\times2$ から常に $23:1:12:32$ です．

原子説

さて，[質量保存の法則]と[定比例の法則]の説明の都合上，「原子」を用いて説明してきましたが，これらの法則が発見された当時は「原子説」はまだ提唱されていませんでした．

すなわち，当時は「なんでかよく分からないけど，[質量保存の法則]と[定比例の法則]が成り立つ」という状況だったわけです．

「何でか分からない」というのを説明するのが科学ですから，何とか説明を考えます．

[質量保存の法則]　化学反応の前後において，物質の総質量は変化しない．

と

[定比例の法則]　物質Aと物質Bが同一の化合物であるとき，物質Aを構成する元素の質量比と物質Bを構成する元素の質量比はいつでも等しい．

を見ながら，ドルトン(イギリス)は「物質を構成する最小単位が存在すると考えると，うまくいくのではないか？」と考え，1803年に次の[原子説]を提唱しました．

[原子説]　次の1〜4をみたす粒子を「原子」という．

全ての物質はそれ以上分割できない粒子からなる
各元素に対応する原子が存在し，同種の原子は同じ大きさ，質量，性質を持つ．
化合物は，2種類以上の原子が一定の割合で結合してできている．
化学変化では原子の結合の仕方が変わるだけで，新たに原子が出現するのではない．

当時の科学知識では「元素」という言葉は用いられていました．「元素」は「それ以上分解できないある性質を持った何か」という認識でした．

ドルトンは「その各元素は実は粒子である」として[原子説]を組み立てることで，[質量保存の法則]と[定比例の法則]を説明しました．

分子説まで

次に，[原子説]が提唱されてから，アボガドロによって[分子説]が提唱されるまでの流れをみてみます．

なお，[分子説]の中で説明する[アボガドロの法則]は非常に大切です．

倍数比例の法則

さて，ドルトンは自身の[原子説]を元に[倍数比例の法則]が成り立つことを予想し，実際に実験で確かめました．

[倍数比例の法則]は次のように述べられます．

[倍数比例の法則]　元素Xと元素Yから構成される化合物Aと化合物Bを考える．このとき，「元素Xと化合して化合物Aになる元素Yの質量」と，「元素Xと化合して化合物Bになる元素Yの質量」の比は簡単な整数比になる．

[定比例の法則]から，「元素Xと化合して化合物Aになる元素Yの質量」と，「元素Xと化合して化合物Bになる元素Yの質量」の比がいつでも等しいことは分かります．

[倍数比例の法則]の主張で大事なのは「簡単な整数比になる」という部分です．

たとえば，炭素元素 $\mathrm{C}$ と酸素元素 $\mathrm{O}$ から構成される一酸化炭素 $\mathrm{CO}$ と二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ を考えます．

このとき，たとえばP「 $10[\mathrm{g}]$ の炭素原子 $\mathrm{C}$ と化合して一酸化炭素 $\mathrm{CO}$ になる酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量」は $40[\mathrm{g}]$ で，Q「 $10[\mathrm{g}]$ の炭素原子 $\mathrm{C}$ と化合して二酸化炭素 $\mathrm{CO_2}$ になる酸素元素 $\mathrm{O}$ の質量」は $80[\mathrm{g}]$ なので， $\mathrm{P}:\mathrm{Q}=1:2$ と「簡単な整数比」なります．

「[原子説]が正しければ，化合物はいくつかの原子から構成されているはず．だから，原子の個数の比になるはずだから，複雑な比にはならないだろう」という発想で，「簡単な整数比になる」という主張になります．

(ただ，どれくらいまでが「簡単な整数比」なのかは微妙なところですが……)

気体反応の法則

1808年，ゲーリュサック(フランス)によって[気体反応の法則]が発見されました．

[気体反応の法則]は次のように述べられます．

[気体反応の法則]　同温，同圧のもとで，化学反応に関係する気体の体積には簡単な整数比が成り立つ．

気体水素 $\mathrm{H}_2$ と気体酸素 $\mathrm{O}_2$ が化学反応して水蒸気 $\mathrm{H_2O}$ が生じるとき，反応した「水素気体，酸素気体，水蒸気の体積比」は同温，同圧下で $2:1:2$ となります．

なお，「同温・同圧」という条件について，気体の体積は温度と圧力の影響を受けやすく，簡単に体積が変化します．

したがって，気体の体積を考えるときには，どのような温度，圧力のもとで計るのかを明示しておく必要があり，そのために[気体反応の法則]には「同温，同圧」という条件があるのです．

さて，ゲーリュサックは[原子説]を用いて[気体反応の法則]を説明しようとしました．

そのために，ゲーリュサックは「同温，同圧下では，同数の原子(または複合原子)からなる気体の体積は等しい」と仮定をしました．

さて，この仮定の元で[気体反応の法則]と[原子説]を見てみます．

上の化学反応において，「気体水素 $\mathrm{H}_2$ ，気体酸素 $\mathrm{O}_2$ ，水蒸気 $\mathrm{H_2O}$ の体積比」が $2:1:2$ であることは実験によって正しいことが分かっているので，この事実は動きません．

ゲーリュサックの仮定が正しければ，気体の「体積比」と「原子(または複合原子)の個数比」は一致するので，「気体水素 $\mathrm{H}_2$ ，気体酸素 $\mathrm{O}_2$ ，水蒸気 $\mathrm{H_2O}$ の個数比」も $2:1:2$ です．

簡単に言えば，「2個の気体水素 $\mathrm{H}_2$ と1個の気体酸素 $\mathrm{O}_2$ が化合して2個の水蒸気 $\mathrm{H_2O}$ になる」ということですね．

さて，当時は「水素気体は水素原子1個で存在し，酸素気体も酸素原子1個で存在する」と考えられていたので，「2個の水素気体と1個の酸素気体」から「2個の水蒸気」になるには，酸素原子を2つに分割しなければなりません．

しかし，[原子説]の1から「原子はそれ以上分割できない」ので，原子説との矛盾が起きてしまいました．

分子説

さて，矛盾が起きてしまった以上，どこかに誤りがあることになります．

[原子説]が誤りなのか，「同温・同圧下では，同数の原子(または複合原子)からなる気体の体積は等しい」としたゲーリュサックの仮定が誤りなのか，それともそれ以外の何かか……．

1811年，この矛盾を解決するためアボガドロ(イタリア)は[分子説]を提唱しました．

[分子説]　次の1〜3をみたす原子が結合したものを「分子」という．

気体は何個かの原子が結合してできている．
同温・同圧下では，どの気体も同体積の中には同数の分子が含まれる

分子が反応するときには原子に分かれることができる．

[分子説]を採用すれば，「水素原子 $\mathrm{H}$ が2個結合して1個の気体水素 $\mathrm{H}_2$ になり，酸素原子 $\mathrm{O}$ が2個結合して1個の気体酸素 $\mathrm{O}_2$ になっている」と考えると，

化学反応の時に気体酸素 $\mathrm{O}_2$ が2個の酸素原子 $\mathrm{O}$ に別れ，1つずつ気体水素 $\mathrm{H}_2$ と化合する

となって矛盾は解消されます．

アボガドロは「原子は物質を作る最小粒子，分子は物質固有の性質を失わない最小粒子」と特徴付けることで原子と分子を説明しました．

当時「気体水素 $\mathrm{H}_2$ は水素原子 $\mathrm{H}$ 1個で存在し，気体水素 $\mathrm{O}$ も酸素原子 $\mathrm{O}$ 1個で存在する」と思われていたものが間違いで，「気体はいくつかの原子が結合して初めて気体となり得る」という主張をしたことが，[分子説]の新規性なのです．

しかし，当時この[分子説]はトンデモ理論だったようで，なかなか受け入れられなかったそうです．

さて，[分子説]が受け入れられるようになってくると，[分子説]の2は[アボガドロの法則]と呼ばれ，非常に重要な役割を担うことになります．

[アボガドロの法則]　同温・同圧下では，どの気体も同体積の中には同数の分子が含まれる

同温・同圧下に水素気体 $\mathrm{H_2}$ と酸素気体 $\mathrm{O_2}$ が同じ数あれば，これらは同体積です．

別に水素 $\mathrm{H_2}$ と酸素 $\mathrm{O_2}$ でなくても，どんな気体であっても分子の数が等しければ，同じ温度，同じ圧力のもとでは同じ体積なのです．

この[アボガドロの法則]は非常に大切なので，必ず押さえてしてください．