第３節　化学変化とその量的関係

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第3節　化学変化とその量的関係

Ａ　化学反応式

►化学反応式

　両辺を結ぶ記号は，（→）を用いるので，一見，質量保存の法則を表す意義が

失われているように見えるが，化学式の係数で両辺の各原子の数が等しくなるよう

にしているので，両辺の質量の総和が等しくなり，本来の意味は保存されている。

化学反応式は，反応が始まる最初の物質種の量と反応が終わった後の最後の物質種

の量との量的関係を示すものであって，反応の途中の様子は一切省かれている。

イオン反応式

►イオン反応式

　イオン反応式は，反応の実質が何かを示そうとするものである。そのため，反応

に関与しない部分(イオン）は書かない。

　亜鉛や鉄が強酸と反応して水素を発生するのは，強酸中にH^＋が生成しており，

このH^＋に亜鉛や鉄が電子を与えてH₂にするからである。当然，金属はZn²^＋ある

いはFe²^＋に変わる。したがって，H^＋が存在することが重要なのであって，酸の陰

イオンが何であるか，すなわち酸の種類はこの場合関与しない。

　　Zn＋2H^＋→Zn²^＋＋H₂

　　Fe＋2H^＋→Fe²^＋＋H₂

　塩酸に水酸化ナトリウムを加えて中和反応させるとき，化学反応式では，次のよ

うに書く。

　　HCl+NaOH→NaCl＋H₂O

ところが水溶液中では，HClは(H^＋＋Cl^－)，NaOHは(Na^＋＋OH^－)，NaClは(Na^＋

＋Cl^－)のように溶けて電離する。したがって，中和反応の本質は，酸性を示すH^＋

と，アルカリ性を示すOH^－とが，中性のH₂Oになる変化だけであるので，イオン

反応式は，

　　H^＋＋OH^－→H₂O

となる。

Ｂ　化学変化の量的関係

►化学変化の量的関係の計算の原則　　化学変化の係数の比は，反応物と生成物の

物質量の比に相当する。したがって，「物質をすべてmol単位に換算し，それを係

数に比例させて計算するのが量的関係の原則である」と指導することが望ましい。

mol単位で解を求めた後，題意に応じて質量なり体積なりに換算すればよい。この

ような方法をとれば，化学変化の量概念を正確にとらえることができ，複雑な反応

についても十分理解できる。

　aA＋……→bB＋……の化学変化で，Aの量からBの量を求める手続きを，次

に簡単に示す。Vは標準状態の体積，Mは式量である。

参考　化学の基礎法則

►原子説と分子説

　物質が粒子から構成されているという考えは，古代ギリシアの時代から始まって

いる。しかし，それらは哲学的な思索によるもので，実証的なものではなかった。

むしろ，アリストテレス達による，物質構造の連続説が中世ヨーロッパを長く支配

し，粒子説は日の目を見なかった。しかし，18世紀になると，いろいろな実験事

実が積み重ねられ，物質観もそれらの基盤の上に立つようになった。特に気体の化

学反応の研究が進み，その量的な関係についての法則が数多く発見されるにいたっ

て，粒子説が連続説にとって代わるようになった。

《定比例の法則》　天然にはクジャク石として産し，また銅の緑青として知られて

いる水酸化炭酸銅CuCO₃・Cu(OH)₂をプルーストは研究していた。彼はこれを加熱

すると，まず水が得られ，強熱すると二酸化炭素が得られ，後に酸化銅(II)が残る

ことを知った。プルーストはこれらを正確に分析して，天然のものでも人工のもの

でも，組成は全く同じであることを発見した。

《倍数比例の法則》　ドルトンは，メタンCH₄とエチレンC₂H₄について研究して

いるとき，一定量の炭素に結合している水素の量が2：1になっていることに気づ

いた。その後，炭素・硫黄・窒素の酸化物についても検討し，倍数比例の法則を導

き出したといわれている。この法則は，定比例の法則とともに，物質構造の不連続

性を示しており，ドルトンは，これらを背景として原子説を提唱することになった。

《気体反応の法則》　ゲーリュサックの第二法則ともよばれ，実験的に導き出され

たものである。反応に関係する物質がすべて気体でなくても，反応に関係する気体

の相互間にあてはまる。たとえば，Fe₂O₃＋3CO→2Fe＋3CO₂の反応において

COとCO₂の間には，体積比が1：1であるという気体反応の法則があてはまる。

　気体反応の法則を原子説で説明しようとすると矛盾につき当たる。このため，ド

ルトンは気体反応の法則を否定したといわれている。しかし，この矛盾は後にアボ

ガドロによって見事に解決され，原子説・気体反応の法則のいずれにも矛盾しない，

分子説がうち立てられることになった。

《アボガドロの法則》　アボガドロは，原子説と気体反応の法則を結びつける試み

として，分子仮説を提唱した。たとえば，水素や酸素の単体では，2個の同種原子

が結合して1分子ができるとした。しかし，化学結合の考え方がまだ定着していな

かったため，2原子が結合する必然性が説明できなかったので，この仮説は当時な

かなか認められなかった。彼の死後，1860年になって，弟子のカニッツァローが

再びこの説を提唱し，実験事実を満足に説明できるただ一つの考え方として，よう

やく認められるようになった。