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。 フランスの科学者、アントワーヌ・ラヴォアジエは1774年、当時としては精密な定量実験を行った結果、化学反応の前後では質量が変化しないとの結論を得て、後にこれを「質量保存の法則」として元素の概念と共に提唱した。ラヴォアジエは、化学反応によっては元素が分裂して増加したり、消滅して減少したり他の元素に転化したりしない、と述べたのであった。 (なお、この考えから出発して、定比例の法則と倍数比例の法則が発見され、原子、分子および化学量論の概念が確立してゆくことになり、ラヴォアジエは「近代化学の父」と呼ばれることになる。)
文章: 分子 メリアム=ウェブスターやオンライン・エティモロジー・ディクショナリーによると、「分子(molecule)」という言葉は、ラテン語の「moles」すなわち「質量の小さな単位」に由来する。語源はフランス語の molcule(1678)で、ラテン語の moles 「mass, barrier(質量、境界)」の指小辞である新ラテン語の molecula に由来する。18世紀後半までラテン語の形でしか使われなかったこの言葉は、デカルトの哲学書で使われたことで人気を博した。 文章: クロード・ルイ・ベルトレー クロード・ルイ・ベルトレーは、1748年に当時サヴォイア公国の領土だったアヌシー近郊にあるタロワール(英語版)で生まれた。ベルトレーはアントワーヌ・ラヴォアジエやその他の化学者と共に、化学物質の命名法や名前の体系を決めた。それらは現代の化合物の名称の体系の基礎となっている。さらにベルトレーは染料や漂白剤の研究を行い(塩素を漂白に使うなど)、そしてアンモニアの組成を決定した。逆反応、ひいては化学平衡の特性を認識した初期の化学者の一人である。強力な酸化剤である塩素酸カリウム(KClO3)は、ベルトレーの塩として知られている。フランスの化学者ジョゼフ・プルーストと定比例の法則の妥当性について長く論争したことで知られている。プルーストは化合物を構成する元素の割合はその製法に関わらず一定だとし、ベルトレーは初期状態の反応物質の比率によって変化するとした。 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: アボガドロの法則 ほとんどの化学者には省みられなかったアボガドロの説ではあるが、少数の化学者がこれに興味をもち検証を行なおうとしていた。 ジャン・バティスト・アンドレ・デュマは常温で気体でない物質の蒸気密度を測定する方法を開発した。 しかし、いくつかの物質では高温で解離反応が起こってしまい、アボガドロの仮説を否定するような結果も得られてしまった。 この問題が解決されるのはずっと後の1865年にアドルフ・ヴュルツにより気体の解離反応が発見されてからのことである。 有機化学の進展に伴い置換反応が発見され電気化学二元論が揺らぎ始めたころ、ジェラールは1839年にすべての物質が2つの根が接合したものであるという残余の理論を提唱した。 残余の理論を採用すると、ベルセリウスの原子量・分子量決定法に問題があることが分かった。 ベルセリウスは金属 M の酸化物の組成式を MO と考えていたため、1価の金属の原子量がすべて真の値の2倍になっていた。 そしてカルボン酸の分子量を銀塩の組成から決定していたため、カルボン酸の分子量も真の値の2倍になってしまっていた。 ここでジェラールはカルボン酸の塩素置換反応に残余の理論を適用すると、塩化水素の分子量も従来の2倍になってしまうということに気づいた。 ジェラールは金属 M の酸化物の組成式は M2O であるとすれば一貫性が得られ、またアボガドロの仮説が成立することを示した。 しかし、ジェラールはこの分子量の改訂には消極的であり、むしろ一貫性を持てない分子量の概念を放棄したいと考えた。 文章: 化学反応 19世紀後半に定量分析法が確立し20世紀にかけて発展することで化学物質の変化量が測定できるようになると、化学平衡や反応の進行する速度について、反応速度式として定式化され物質量やモル濃度そして温度が化学反応の成分量やその変化量に強く影響を及ぼすことが明らかとなった。熱力学により分子(あるいは)原子に共通な振る舞いが物理学的に説明付けられる様になり、化学平衡や反応速度について物理化学的な理論が確立されるに至った。化学反応における成分量の決定因子とその変化の早さは、化学ポテンシャルで代表される広義の熱力学と反応速度論により体系付けられる。化学ポテンシャルは熱力学第二法則を物理化学的に解釈した指標であり、反応(あるいは平衡)の進行方向を決定付ける。反応速度論により、反応速度が物質量や温度により受ける影響を分子などの微視的な振る舞いとして説明づけられるようになった。 反応速度論、特に遷移状態理論により化学反応を熱力学や統計力学のような集団についての理論ではなく、反応物の分子同士の作用として理論付けることが可能になった。今日では反応の種類ごとに分子構造と化学反応を関連付ける反応機構モデルを構築することで化学反応が研究される。 反応機構モデルを構築する基礎原理として、電子が帰属する価電子または共有結合の移動として化学結合を扱い、半経験的原理として有機電子論が体系付けられた。有機電子論やHSAB則において経験的に仮定された電子対の振る舞いは量子化学の分子軌道法で定式化することが可能である。また、ペリ環状反応等いくつかの立体特異的な反応機構は古典的な電子の振る舞いでは説明づけることはできず、分子軌道の結合規則に関する原理を扱うフロンティア軌道理論により反応機構が説明付けられる。 文章: ラヴォアジエ・メダル ラヴォアジエ・メダルは、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: プランクの法則 例えば室温 (300 K) における表面積が1平方メートルの黒体は、1000年に一度程度しか可視領域の光子を放出せず、よって通常の実験などにおいては黒体は室温では可視光線を放出されないといっても差し支えない。実験データからプランクの法則を導出する際などのこの事実の重要性についてはで議論されている。 文章: 物質 ドルトンは原子説を提唱し、アボガドロは分子説を提唱した。ラボアジェによる質量保存則の確立以来、質量が物質を特徴づける本質的な量と考えられるようになった。物質は置かれた条件により種々の相転移を起こす。特に分子や原子が集まって構成された多くの物質は、固体・液体・気体と呼ばれる3つの相をとる。それ以外にも、ボース=アインシュタイン凝縮、超流動相、超臨界流体などの特殊な形態をとることもある。 20世紀初頭までは、主に哲学の分野から派生して、物体の力学的運動の法則など根元的な原理の解明を目的とした物理学(Physics)と、中世や産業革命以降、新たな化合物の合成等を主な目的として、より工学的な要素を伴って発展した化学(Chemistry)の境界は割合に明確であった。しかし原子の存在が確認されると、化学の分野において量子力学等の理論を用いて化合物の構造や化学反応を解明しようとする化学物理学や、原子核物理と化学が融合した核化学と呼ばれる分野が出現した。現在では、物理と化学の明確な境界を見出すことは難しく、主に学校教育における伝統的な区分が慣習的に続いている側面もある。 次に化学変化の例を挙げる。 文章: 不均一な物質系の平衡に就いて ギブズははじめに、1873年にコネティカット州芸術科学アカデミー論文誌に発表された2報の論文『流体の熱力学における図式解法(Graphical methods in the thermodynamics of fluids)』、『物体の熱力学的諸性質の曲面による幾何学的表示(A method of geometrical representation of the thermodynamic properties of substances by means of surfaces)』によって数理物理学に貢献した。ギブズの次のそして最も重要な論文が『不均一な物質系の平衡に就いて』(1876年と1878年の2部)であった。この記念碑的で密に織られた300頁の論文において、熱力学第一法則、熱力学第二法則、熱力学の基本関係式(英語版)が相転移や熱力学系における熱力学反応の傾向(英語版)のラグランジュ解析学 による三次元の幾何的描像に基づく予測ならびに定量化などに適用された。アンリ・ルシャトリエの述べているところによると、この論文は「ラヴォアジエによって作られたものに匹敵するほど重要性が増大している化学の新たな分野を築いた」。この研究は1891年にヴィルヘルム・オストヴァルト(オストヴァルトはギブズを化学エネルギー論の父と呼んだ)によってドイツ語に、1899年にアンリ・ルシャトリエによってフランス語に翻訳された。ギブズの『平衡』論文は19世紀の物理科学における最大の業績の一つ、そして物理化学の科学の基礎を成す業績の一つであると考えられている 。これらの論文において、ギブズは物理化学的現象の解釈のために熱力学を適用し、隔絶して解釈し難い事柄としか知られていなかったものの解釈と相互関係を明らかにした。 ギブズの不均一平衡に関する論文は以下の事柄を含む。 文章: 運動量保存則 運動量保存則(うんどうりょうほぞんそく、英: law of momentum conservation)とは、ある系に外力が働かない限り(閉鎖系)、その系の運動量の総和(全運動量)は不変であるという物理法則(保存則)である。運動量保存の法則ともいう。 最初、デカルトが『哲学原理』の中で質量と速さの積の総和を神から与えられた不変量として記述したが、ベクトルを用いて現在の形の運動量とその保存則を導いたのはホイヘンスである。 外力が働かない問題の例としては、物体の衝突問題がある。二体の衝突問題は、エネルギー保存の法則と運動量保存則を考えることで解くことができる。完全弾性衝突のときのみ物体の運動エネルギーは保存される。一方、完全弾性衝突に限らず外力が働かない限り、運動量は保存される。 文章: 物質同定の原理 この法則はオストワルドが1889年(明治22年)に書いた『一般化学概論』に出ており、オストワルドが言い出したと考えられる。オストワルドは「1物質の性質は実に無数であって、2物体の性質全体の性質が果たして一致するかどうかは容易に説明することはできない。しかし、私たちは知らず知らずのうちに得た、応用広い演繹の結果、そのような証明は不要である。なぜかといえば、我々は2個の物体の性質のうち2,3が一致すれば、他の全ての性質も一致することを知っているからである。」と述べている。オストワルドはこの法則に特に名称はつけなかったが、この法則は科学上の最も基礎的な法則の一つであるにもかかわらず、科学教育においてほとんど忘れられていた。科学史家の板倉聖宣は、この法則を「物質同定の原理」と呼ぶことを提案し、科学教育で復活させる必要性を説いた。 文章: ゲイ=リュサックの法則 ゲイ=リュサックの法則は、気体の性質に関する法則である。フランスの化学者ジョセフ・ルイ・ゲイ=リュサックに因んで命名された。それぞれ関連する2つの法則があるが、通常は後述の前者の方を指す。第1の法則は反応の前後の気体の体積について述べる。第2の法則は、気体の温度と体積の関係について述べ、アモントンの法則としても知られる。 文章: 係数 物理学や化学において、様々な種類の重要な量(定数)が他のより基本的な量のあいだの関係式における係数としてあらわれる。物理学においてこれらは物理係数 (physical coefficient) と総称されることもある。 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: 化学式 どのような化合物でも、元素は常に同じ割合で互いに結合している。これが一定組成の法則(定比例の法則とも呼ぶ)である。一定組成の法則とは、どんな化合物でも、その化合物のすべてのサンプルは、同じ元素が同じ割合(または比率)で構成されるというものである。たとえば、どの水分子でも、かならず2個の水素原子と1個の酸素原子から 2:1 の割合で構成されている。水の分子に含まれる酸素と水素の相対的な質量を見ると、水分子の質量の94%が酸素が占め、残りの6%が水素の質量であることがわかる。この質量比は、どの水分子でも同じである。 ブタ-2-エン(but-2-ene)というアルケンには、化学式 CH3CH=CHCH3 では識別できない2つの異性体がある。2つのメチル基の相対的な位置を示すためには表記を追加して、メチル基が二重結合の同じ側(cis または Z)にあるか、反対側(trans または E)にあるかを示す必要がある。 上述のように、多くの複雑な有機および無機化合物の完全な構造式を表現するためには、単純な示性式で利用できる手段をはるかに超える化学命名法(英語版)を必要とする場合がある。その例については、IUPAC有機化学命名法(英語版)(IUPAC nomenclature of organic chemistry)および、IUPAC無機化学命名法(英語版)2005(IUPAC nomenclature of inorganic chemistry 2005)を参照のこと。また、国際化学識別子(InChI)のような線形命名システムによって、コンピュータで構造式を構築することができ、簡易分子入力ライン入力システム(SMILES)では、人間がより理解しやすいASCII入力ができる。しかし、これらの命名体系はいずれも化学式の基準を超えており、厳密にいえば式体系ではなく命名法である。