クエリ: 1774年にアントワーヌ・ラヴォアジエが提唱した、「化学反応の前と後で物質の総質量は変化しない」とする化学の法則を「何の法則」というでしょう?
文章: 質量保存の法則 身近な化学反応である燃焼について考察すると、木や紙は燃やすと灰となって質量が大幅に減少する(反対にスチールウールなどの金属は質量が増加する)。また、(熱気球に端的に見られるように)、気体を熱するとそれは軽くなるように感じられる。つまり日常的な感覚や直感では反応の前と後では、ものの質量は大きく変化するように感じられる。しかし、このような目に見える質量の変化はあくまで外部との物質の出入りが自由な開放系で見られるものであり、精密な測定のために閉鎖系を準備すると状況は違ってくる。保存則は古代から提唱されていた。例えば紀元前4世紀頃にエンペドクレスは「なにものも無に移り変わることはできず、存在するものは永遠に存在し続ける。無から有は生成しない」と述べた。また紀元前3世紀頃にエピクロスは「過去において物事の全体は常に現在のようであり、将来についても常にそうである」と述べた。
文章: 科学におけるロマン主義 天文学者のウィリアム・ハーシェル(1738-1822)と妹カロライン・ハーシェル(1750-1848)は星々の研究に専心し、恒星系、銀河、そして宇宙の意味に関する公衆の考え方を変化させた。 ハンフリー・デービーは「ロマン主義と形容されうるイギリスの科学者のうち最も重要な人物」であった。デービーが「化学哲学」 と呼んだものについての見解は、ロマン主義で通用した原則が化学の分野に影響を及ぼした例の1つであった。デービーは物質世界での「原始的で、単純で、限られた数の現象の原因と観測された変化」と、既知の化学元素を強調した。これらは啓蒙主義の「フィロゾフ」であったアントワーヌ・ラヴォアジエによって発見されたものであった。ロマン主義の反・還元主義に沿って、デービーはそれが個々の構成要素ではなく、「それらに結び付き、物質に特性を与える力」であったと主張した。言い換えるなら、個々の元素が何であるかではなく、それらの元素がどのように結合されるかで化学反応が決まり、それが化学という科学を完成させるのである 。 19世紀における有機化学の発達は化学者たちに「ナトゥールフィロゾフィー」から派生した概念を受け入れ、ラヴォワジエにより推進された有機組成物の啓蒙主義的な概念を修正することを余儀なくした。中でも重要であったのは有機物の構造と合成に関する同時代の化学者たちの仕事であった。 文章: 分子 しかし、より具体的には、「分子」、すなわち原子が結合した集合体や単位という概念は、ロバート・ボイルが1661年に出版した有名な著書『懐疑的化学者(The Sceptical Chymist)』の中で、「物質は微粒子の集団から構成されており、化学変化はその集団の再編成によって生じる」とした彼の仮説に端を発している。ボイルは、物質の基本要素は「微粒子(corpuscles)」と呼ばれる種類や大きさの異なる粒子で構成されており、これらの粒子は自身を集団に編成することができると主張した。1789年に、ウィリアム・ヒギンズ(英語版)が、原子価結合の概念を予示となる「究極の」粒子の組み合わせと呼ぶものについての見解を発表した。ヒギンズによれば、たとえば酸素の究極粒子と窒素の究極粒子の間の力は6であり、力の強さはそれに応じて分割され、他の究極粒子の組み合わせについても同様である。 ジョン・ドルトンが1803年に原子論を、1804年に倍数比例の法則により原子の存在を提唱した。しかし現代の電子と原子核から構成される粒子のような構造的な概念ではなく、化学反応が一定の単位質量を基に進行するという量的概念であった。 「分子(molecule)」という言葉はアメデオ・アヴォガドロが作り出した。1811年の論文「物体の素分子の相対質量の決定に関するエッセイ」(Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies)で、彼は本質的に次のように述べている。すなわち、パーティントン(英語版)の『化学の歴史(A Short History of Chemistry)』によると、 文章: ジェルマン・アンリ・ヘス ジェルマン・アンリ・ヘス(Germain Henri Hess、1802年8月7日 - 1850年11月30日)はスイス生まれのロシアの化学者である。ロシア名はゲルマン・イヴァノヴィチ・ゲス(ロシア語: Герман Иванович Гесс)。 化学反応の反応熱の総量は、その反応の初めの状態と終わりの状態で決まり、途中の経路には関係しないというヘスの法則を1840年に発表した。時期的にはマイヤーがエネルギー保存則の論文を書く2年ほど前である。 ジュネーヴに生まれたが、家族と共にロシアに移住した。両親ともに家庭教師を務めていたことから、ドイツ語とフランス語を習得した。現在のエストニアのドルパート大学で医学と薬学を学び、医師の資格を習得。その後ストックホルムのベルセリウスのもとで化学を勉強した。イルクーツクで産科医・眼科医として勤めたのち、1830年からサンクトペテルブルクに移り、教員養成機関・師範学本校(Главный педагогический институт)の化学の教授になった。1838年にはミハイロフスキー砲兵学校の教官にも就任している。ヘスの法則についての論文は1840年に発行された。1831年には化学の教科書"Основания чистой химии"を発表、改訂を重ねながら長く利用された。病気のため1848年に師範学本校教授を辞し、翌年には砲兵学校教官も辞任、1850年に亡くなった。 文章: エネルギー保存の法則 ルネ・デカルトやゴットフリート・ライプニッツが、それぞれの仕方でこれを主張し、それぞれの支持者によって議論が長年に渡り行われた。19世紀の中ごろ、ユリウス・ロベルト・フォン・マイヤー、ジェームズ・プレスコット・ジュール、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツらによって、「力学的・熱・化学・電気・光などのエネルギーは、それぞれの形態に移り変わるが、エネルギーの総和は変化しない(保存される)」と主張された。20世紀にアルベルト・アインシュタインによって、質量とエネルギーの等価性という考え方が提唱され、別の形での保存が主張されたが、その有効性や有効範囲については、疑問視されることも多かった。現在ではエネルギー保存の法則は、しばしば「最も基本的な物理法則の一つ」と考えられている。多くの物理学者が、自然はこの法則にしたがっているはずだ、と信じているのである。 文章: トルートンの規則 トルートンの規則(トルートンのきそく、英: Trouton's rule)とは液体の蒸発熱と沸点の間に成り立つ法則のことである。1884年、アイルランドの物理学者であるフレデリック・トーマス・トルートン(英語版)が発見した。液体の蒸発熱(1 mol 当たりの蒸発エンタルピー)ΔvapH、沸点を絶対温度で表した値 Tboiling とすると、ΔvapH / Tboiling 85 J/(molK) となるというものである。沸点においては気相と液相が平衡にあるから、1 mol 当たりの蒸発ギブズエネルギー ΔvapG は 0 である。すなわち、1 mol 当たりの蒸発エントロピーを ΔSvap とすると、ギブズエネルギーの定義 G = H - TS より、であるから、トルートンの規則は液体の種類によらず蒸発モルエントロピーが 88 J/(molK) と一定の値を示すことを意味している。 文章: ペテル・ボーゲ ペテル・ボーゲ(Peter Waage, 1833年6月29日 - 1900年1月13日)は、ノルウェーの化学者である。日本では名がペーテルまたはペーター、姓はワーゲと表記されることもある。1864年から1879年にかけて、化学者・数学者の義兄カトー・グールベリ(Cato Maximilian Guldberg, グルベルグまたはグルベアとも表記される)と共に質量作用の法則を発見、確立した。 文章: 原子価 定比例の法則の確立によってある化合物に含まれる元素の質量の比は恒に一定であることが示された。ジョン・ドルトンはこれを説明するために原子の概念を導入し、ある化合物に含まれる各元素の原子の数の比は恒に一定となるという考えを示した。この考えに基づいて様々な化合物の組成式を調べていくとその組成に法則性があることが分かってきた。例えばある金属原子に酸素原子が結合する場合、その数は塩素原子が結合する数の半分となる。 そこで水素原子や塩素原子を基準として、これら何個と結合できるかとして原子価の概念が確立した。 原子価の概念は化学結合論とともに発達してきた。イェンス・ベルセリウスはハンフリー・デービーの電気分解の実験から、原子はプラスあるいはマイナスのある量の電荷を持っていると考えた。そしてプラスの電荷を持つ原子とマイナスの電荷を持つ原子が、全体の電荷が0となるようにクーロン力によって結びついて電気的に中性な化合物を構成していると考えた。この考えによれば個々の原子の持つ電荷の大きさ、すなわちイオン価により、他の何個の原子と結合するか、すなわち原子価が決定されることになる。当時知られていた化合物は無機化合物が大部分であったのでこの考え方は広く受け入れられた。 だが、金属元素においてはこのような特定の原子価を取らず、いくつかの原子価を取るものがすでに知られていた。また、有機化合物の研究が発達してくると、有機化合物においてはプラスの電荷を持つと考えられていた水素がマイナスの電荷を持つと考えられていたハロゲンと置換する反応が見出された。このため、ジャン・デュマとオーギュスト・ローランは「置換の法則」を提唱し、水素とハロゲンは同じ型を持ち、相互に置換可能であるとした。シャルル・ジェラールはこれを拡張し、すべての化合物は2つの不変な「基」が結合したものであり、その組換えによって置換反応が起こるとした。有機化合物の研究がさらに進むと、エーテルのように酸素原子に2つの「基」が結合したもの、アミンのように窒素原子に3つの「基」が結合したものが知られるようになった。フリードリヒ・ケクレはこれを整理して水素やハロゲンは他の1つの原子と、酸素は2つの原子と、窒素は3つの原子と、炭素は4つの原子と結合できると提唱した。 文章: アボガドロの法則 アボガドロの仮説が提案される原因となったのはゲイ=リュサックの気体反応の法則であった。 気体反応の法則があらゆる気体に成立するとすれば、同一圧力、同一温度、同一体積中の気体にはある定数の整数倍の粒子が含まれていることになる。 例えば水素2リットルと酸素1リットルから水蒸気2リットルが生成し、炭素を酸素1リットルと燃焼させたときには一酸化炭素2リットルが生じる。 ジョン・ドルトンはこの実験事実自体を否定したが、アボガドロやイェンス・ベルセリウスはこの法則を認めた。 アボガドロはこの実験事実を説明するために、同一圧力、同一温度、同一体積の『すべての』気体にはある定数の粒子が含まれているとし、この粒子をmolecule(分子)と呼んだ。 アボガドロは化合により水ができるときには水素分子と酸素分子が2つに分割でき「半分子」になるとした。 アボガドロはこの半分子が2個より多くの原子からなることも考慮していたが、それまでに知られている気体反応の法則の例からは2個の原子からなると考えれば充分であるとした。 1814年にアンペールも同様の仮説を提唱した。 しかしその当時は、単一種の原子のみが結合して多原子分子を形成するという考えは受け入れがたかった(ギルバート・ルイスが共有結合の概念を提唱したのが1916年、その正体が量子化学に基づきヴァルター・ハイトラーとフリッツ・ロンドンにより初めて解明されたのは1927年である)。 ドルトンは重い気体と軽い気体が完全に混合して分離しないのは、同じ種類の原子同士に熱素による斥力が働いているのが原因であると考えており、同種原子の結合を認めなかった。 またベルセリウスは電気化学的二元論の考え方から同じ種類の原子には静電的な斥力が働くと考えていた。 電気化学的二元論は1840年ごろまで、化学の支柱的な理論として信奉された。 そのため、同種原子からなる分子の考え方が受け入れられるようになるのは、電気化学的二元論にほころびが生じてからのことであった。 文章: ジョゼフ・プリーストリー 当時フロギストン(燃素)説の時代であったので、「脱フロギストン空気」と考え、同年ラヴォアジエに話した。この気体が酸素である。この実験を追実験することによってラヴォアジエは燃焼の化学的プロセスを解明することになった。しかしプリーストリー自身はフロギストン説に固執し、化学革命を拒否したため、科学界で孤立することになった。プリーストリーにとって科学は神学に不可欠な要素であり、一貫して啓蒙合理主義とキリスト教の融合を心がけていた。哲学的著作では有神論、唯物論、決定論の融合を試み、それを "audacious and original"(大胆で独創的)と称した。彼は自然界を正しく理解することで人類の進歩が促進され、キリスト教的千年王国が到来すると信じていた。言論の自由を強く信じ、宗教的寛容と非国教徒の平等な権利を主張、イングランドにおけるユニテリアン主義の確立に関与した。 文章: ラヴォアジエ・メダル ラヴォアジエ・メダル(Mdaille Lavoisier)は、フランスの化学賞。アントワーヌ・ラヴォアジエにちなんで1906年に創設された。賞金は1500ユーロ。 文章: 原子模型 ジョン・ドルトンは、この先行研究を調査し発展させ、後に「倍数比例の法則」という新しい考え方を提唱した。同じ2つの元素を組み合わせて、さまざまな化合物を作ることができる場合、それらの化合物における2つの元素の質量の比は、小さな整数で表わされるというものである。これは、当時のドルトンらをはじめとする化学者たちが観察した化学反応によく見られる傾向であった。 このように、化学物質は任意の量で反応するのではなく、基本的な不可分の質量単位の倍数で反応することを示唆している。 ドルトンは著作の中で、「原子」という言葉を、今日の慣例のように元素を厳密に指すのではなく、あらゆる化学物質の基本的な粒子を指す言葉として使用した。また、ドルトンは「分子」という言葉を使わず、代わりに「複合原子(compound atom)」、「基本原子(elementary atom)」という言葉を使っていた。ドルトンは、化学元素はそれぞれ一種類の単一の原子から構成され、化学的な手段によって変化させたり破壊することはできないが、結合してより複雑な構造、つまり化合物を形成することができると提唱した。これは、ドルトンが実験と結果の検証に基づいて到達した結論であり、真に科学的な原子論となった。 文章: キュリー・ワイスの法則 キュリー・ワイスの法則(キュリー・ワイス則、英: CurieWeiss law)とは、強磁性や反強磁性のキュリー点以上の温度における磁化率の振る舞いを説明する法則である。ピエール・ワイス (Pierre Weiss) が1907年に発表した分子場理論により求めた。キュリー・ワイスの法則はこれは、常磁性体におけるキュリーの法則を拡張し、 θ p {\displaystyle \theta _{p}} の分だけ平行移動させたものととらえることができる。この θ p {\displaystyle \theta _{p}} は常磁性キュリー温度や漸近キュリー温度、漸近キュリー点などと呼ばれ、強磁性から反磁性へと転移する温度である強磁性キュリー温度Tcとはやや異なった値を示す。 文章: 化学反応式 化学反応式(かがくはんのうしき、英語: chemical equation)とは、物質の化学変化、すなわち化学反応を表現する為の図表である。通常、化学反応式中で物質は化学式を用いて表され、物質の間での化学量論的な関係を表したり、反応機構や化学反応前後での物質の構造変化を表現したりする。最初の化学反応式はジャン・ベガンによって表された。 文章: 倍数比例の法則 倍数比例の法則とは、元素Aを含む複数の元素が、複数の化合物、例えばXとYを構成するときにX、Yそれぞれに含まれるAの質量は簡単な整数比になるという化学の法則である。 例として、炭素と酸素からなる2つの化合物として、一酸化炭素と二酸化炭素をとりあげる。一酸化炭素28 gと二酸化炭素44 gは、それぞれ同量の炭素12 gを含んでいる。一酸化炭素28 gには酸素16 gが含まれ、二酸化炭素44 gには酸素32 gが含まれる。すなわち、一定量の炭素を含む一酸化炭素と二酸化炭素それぞれに含まれる酸素の質量の比は、1:2 という簡単な整数の比で表される。 炭素原子1個に対して酸素原子が1個結合した化合物が一酸化炭素であり、炭素原子1個に対して酸素原子が2個結合した化合物が二酸化炭素である。原子はそれ以上分割できない粒子であるから、炭素原子1個に対し酸素原子が非整数個結合したような化合物が存在しないため、倍数比例の法則が成立する。 この法則は、1802年にジョン・ドルトンによって発見され、彼が発表した原子論の有力な証拠として発表された。 法則の和名が現象に則さないため、近年では倍数組成の法則への名称変更が提唱されている。 文章: 素反応 素反応(そはんのう、は、1個もしくは複数の化学種が直接反応して1段階で遷移状態を通って生成物に至る化学反応である。実際は、反応中間体が検出されなかったり、反応が単分子スケールであると仮定せざるを得ない場合はその反応は素反応であると考えられている。見かけ上の素反応が実は寿命の長い反応中間体を含む多段階反応である可能性もある。 一分子反応の素反応では、分子Aが解離したり異性化したりして生成物になる。 温度が一定ならば、そのような反応の反応速度はAの濃度に比例する。 2分子反応の素反応では、2つの原子、分子、イオンやラジカルなどが反応して生成物に変わる。 温度が一定ならば、反応速度はAとBの濃度の積に比例する。 二分子素反応の反応速度式はしばしば、1864年にカトー・マキシミリアン・グルベルグとワーゲが提唱した質量作用の法則で参照される。このタイプの反応の例として環化付加反応が挙げられる。この反応の反応速度式は衝突理論を用いて理想気体の第一法則から導ける。溶解度に低い液体の平衡の場合は、単純な確率論から結果が得られる。 衝突理論によれば、3つの化学種が溶液中で衝突して反応する確率は無視できるほど小さい。したがってそのような反応は素反応ではなく、質量作用の法則に従って二分子の反応の組に分けることができると考えられている。しかし、全体の反応速度を導き出すことが常に可能ではない。ただし定常状態近似やミカエリス・メンテンの近似を用いることで反応速度式を導くことが可能な場合がある。