理系の雑学・豆知識

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化学の基本法則と分子説

1)化学の基本法則

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。」(ラボアジエ)

例) 炭素C12gと酸素O232gが反応すると、二酸化炭素CO244gが生成する。つまり、この場合、(反応した炭素と酸

   素の質量の和)=(生成した二酸化炭素の質量)となる。


定比例の法則

「化合物を構成する成分元素の質量比はその製法の如何を問わず、常に一定である。」(プルースト)

例) CO2はどのような製法においても、炭素と酸素の質量比は原子量をC=12、O=16とすると、12:16×2=3:8であ

   る。


原子説 

「すべての物質は、これ以上分割できない小さな粒子である原子からできている。」

・「異なる元素の原子は質量や性質が異なる」

・「化合物は異なる原子が決まった数で結合している。」

・「化学変化では、原子の組み合わせが変わるだけで、原子がなくなったり、新しくできたりすることはない。」

(ドルトン)


倍数比例の法則

「2種類の元素AとBが化合して、いくつかの異なる化合物をつくるとき、一定量のAと化合するBの質量の間には、簡単な整数比が成り立つ」(ドルトン)

例) COとCO2は炭素と酸素の質量比がそれぞれ、原資料をC=12、O=16とすると、12:16と12:16×2である。すな

  わ、一定量の炭素と化合する酸素の質量比はCOとCO2ではちょうど1:2になる。

気体反応の法則

 「気体どうしの反応では、反応に関係する気体の体積の間には、同温、同圧のものとでは簡単な整数比が成り立つ。」

(ゲーリュサック)

 例) 水素と酸素が反応して水が生成する反応において、反応した水素と酸素および生成した水の体積比は同温、同

    圧で2:1:2となる。これは反応式 2H2 + O2 → 2H2Oの係数の比と一致する。

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ところが、この法則は原子説では説明ができない。この時点では、H2Oは原子が結合しているだけでH2、O2やH2Oでひとつの粒子(分子)をつくっているという概念がないためで、次のような矛盾が生じる。

原子説で説明するには、上の図の体積中に原子を粒子として入れて考える。

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   同体積には同数の原子が入ると考えられるので、1体積あたり5個の原子を入れると、水蒸気は酸素原子の数から、1体積しかできない。また、水素の数は1体積に10個入っている。

 

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体積比は2:1:2になっている。しかし、水蒸気は割合がO:H=0.5:1なのでH2OだがO原子が分割されている。これは、原子説に反する。

分子説 

 「気体は、いくつかの原子が集まった分子という粒子からなり、同温、同圧では、気体の種類に関係なく、同体積中に同数の分子を含む」(アボガドロ)

 分子説ならば、気体反応の法則を説明できる。

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同体積には同数の分子(粒子)が含まれる。また、「同温、同圧ではどの気体も同体積中に同数の分子を含む」という分子説の後半をアボガドロの法則という。