第１章

化学の起源と発展

人間は自然の中に生まれ，自然の多くの現象を眺め，多くの物質を利用し，また火をコントロールすることを覚えて他の動物と異なる道を踏み出した。人類と自然との深いかかわりの中から，自然現象の中にある法則を見いだし，これを体系化する自然科学が生まれた。自然科学
は自然の中に存在する物質とそれらの示す現象に関する学問であり，発展の頭初から物理学，化学，生物学，地学などいくつかの分野にわけられ，相互の関連のもとで築かれてきた。
化学は自然科学の中にあって，特に物質の学問と考えられ，物質の構造や性質，それらの変化とエネルギーの関わりなどについて調べ，その中にある規則性を見出して法則を導入し，理論を組み立て，また体系を築き上げるものである。さらに得られた知識を基に，新しい有用な物質を作り出そうという学問である。ひいては人類の幸福と文明の向上に貢献し，すべての生本物をはじめ全地球の環境保全に深く寄与することが化学の大きな目標と考えることができる。

1‑1 古代の化学と元素
人類の歴史に較べると科学の歴史ははるかに新しいもので，科学が“ 科学 ” として体系化されたのは 16 世紀の末頃であり，化学は天文学見や物理学に次いで芽生えた。しかし，化学的現象の発見やその利用は古代エジプト文明において見ることができ，たとえば酒の製造，酒か

1） ケ ム ま た は ケ マ（chema） は，ら酢への変換，焼物とその紬薬，ガラスの製造，動・植物からの油脂化学がエジプトで発祥したためそのや色素の抽出，染色，さらに金属鉱物からの金属の製錬など，多くのすぐれた技術が培われていた。化学（chemistry）の語源は，エジプ
トの肥沃な黒い土を意味するケム（chem）であると言われ 1），化学のルーツは古代エジプトにあるといえる。
これらエジプトの技術はギリシャに伝えられた。古代ギリシャでは，宇宙のすべての物質は少数の基本的な物質（元素）からなると考えられていた。最初に出されたのは物質一元説であり，土（ヘシオドス 2）），，空気（アナクシメネス 4）），火（ヘラクレイトス 5））
水（タレス 3））などが元素とされた。ついで，これらをまとめた四元素説（エンペド
6）クレス ）が出され，これらは互いに移り変わることはないと考えた。
しかし，
アリストテレス 7）はさらに根源物質として第五元素を想定し，4 つの元素はこの第五の元素を通して移り変わるとした。
東洋では，インドに地，水，風，火を元素とする四大説，これに空8），および中国では土，火，木，金，水をを加えた五大説（シャカ ）含む陰陽五行説などがあった。

語源になったといわれる。
2） Hesiodos（ギリシャの叙事詩人，
B.C.700 年頃）
3） Thales（ギリシャの賢人，B.C.600年頃）すべての事物は水から生じると説いた。
4） Anaximenes（ギリシャの哲学者，
B.C.550 年頃）万物の根源は空気であるとした。
5） Herakleitos（ギリシャの哲学者，
B.C.510 年頃）
6） Empedokles（ギリシャの哲学者，
B.C.460 年頃） 地・水・火・風を万物の根源物質とした。
7） Aristoteles（ ギ リ シ ャ の 哲 学 者，B.C.350 年頃）万物は，水・土・火・空気の 4 元素とエーテルで構成されるとした。
8） シ ャ カ（ イ ン ド 仏 教 の 開 祖，B.C.566 〜 486 年）

1
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第１章

空気

温

化学の起源と発展

1） 自然界に起こる現象を観察する，また実験を積み重ねて多くの火事実を知る。
2） これらの事実に共通する事柄を抽出し記述する。この記述が法湿則である。このような方法を帰納的方法という。さらに新しい

乾事実がこの法則に一致したとき，法則は実証されたといい，一段と信頼性が高くなり，真理に近づく。
水図 1-1

冷現象を説明するため，ある仮定を設けて仮説を組み立てる。この仮土説が実験により実証されたとき法則となる。このような方法は演繹的アリストテレスの 4 元素と 4 つの性質方法といわれる。

1‑2 中世の化学と錬金術

質量保存の法則

エジプトに起こり培われた化学的技術は，ギリシャの科学思想とともにアラビアの世界に移り，そこで元素の移り変わりを主張したアリ

本

トン説を否定するとともに，質量焼によりこれが逸散するというものである。燃素の実体はもちろん不明であった。の医学者・化学者，
1660 〜 1734 年）

燃えるもの → 燃素（フロジストン）+ 灰とは今日では誰でも知っている。したがって，錬金術師たちの金を創実である。一見，燃素説はこの事実を都合よく説明しているようであり出そうという試みはことごとく失敗に終った。しかし，彼らの金をるが，この変化の過程で空気中の酸素が消費され，水蒸気と二酸化炭作り出そうとする熱意と努力は，酸・塩基をはじめ，多くの化合物や素が放出されていることを見落していたことになる。ラボアジェは変種々の金属の性質を明らかにし，また実験に用いるフラスコ，ビーカー化に関わるすべての物質を閉じ込めたままにしておくと，変化に関係あるいは “ るつぼ ” など，現在もなお利用されている器具や装置を数する物質の質量の総和は変らないことを実験的に確かめた（図 1-2）。

多く発明した。今日の化学実験の基礎を築いた彼らの功績は極めて大

この結果は燃焼に関する燃素説に終止符を打つとともに見

たとえば，ローソクが燃えて小さくなり，やがてなくなることは事

暗黒の錬金術を抜け出し，近代化学の門を開いたのはボイル 9） で理 学 者，1627 〜 1691 年 ） 貴 族あった。ボイルは，ベーコン 10）が 17 世紀頭初に提唱した経験的，実証的哲学を化学の領域に取り入れ，「真の科学は観察と実験に基礎をが唱えたもので，約 1 世紀の間支持されていた。

「物質の本質である “ 全く変化しないもの ” は物質の質量である」
ことを明らかにした。
レトルト

水銀
空気おいた帰納的手法に依らねばならない」と主張した。彼は自らも実験

水銀
空気を重ねて

10） F. Bacon（ イ ギ リ ス の 哲 学 者，保存の法則を明らかにした。
12） シュタール（G.E. Stahl，ドイツ

化学反応によって，ある元素から他の元素への変換は起こらないこ

9） R. Boyle（イギリスの化学者・物視する帰納法を提唱した。

つ。自宅の実験室で多くの化学実験を行う。燃焼に関するフロギス

1‑3 近世の化学と科学的思考の芽生え

1561 〜 1626 年）経験的方法を重を学ぶが地質調査にも興味を持

ち燃えやすい物質の中には燃素（フロジストン）が含まれていて，燃きい。

本となる方法を確立した。

ことを見いだした。これが質量保存の法則（1774 年）である。

れた。錬金術はアラビアの化学（al-kimia）を語源とし，鉛や水銀なせ，数々の悲・喜劇を展開した。

立てることを説き，化学実験の基者，1743 〜 1794 年）最初は法律「化学反応の前後で質量が変わらない」
当時，物が燃えるという現象の説明に燃素説 12）があった。すなわ

錬金術はヨーロッパに伝えられ，18 世紀末まで多くの人々を熱中さ実験や観察に基づいて化学理論を11） A.L. Lavoisier（フランスの化学

ストテレスの思想を理論的な拠り所として錬金術（alchemy）が生まどの卑金属を金に変えようとする技術である。その後，12 世紀頃にの出身でスイス，イタリアで学ぶ。

ラボアジェ 11）は化学の領域に天秤をもち込み「気体の圧力と体積は反比例する」ことを見いだした。これがボイルの法則であり，1662 年のことであっ加熱炉た。

法則の導入

自然科学の大きな目的である法則は次のようにして導かれる。

2
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図 1-2

ラボアジェの水銀の酸化の実験
2Hg ＋ O2 → 2HgO

3

第１章

13） J.L. Proust（フランスの化学者，1754 〜 1826 年）病院薬剤師を経て，マドリードの王立実験所で多数の化合物の分析を行う。

定比例の法則化学の起源と発展

プルースト 13）は多くの実験結果から「化合物を構成する元素の質量の比は常に一定である」ということを見いだした。当時，「化合物を構成する元素の物質の比金は一定ではなく，ある範囲にある」とするベルトレーの考えと対立し銀

鉄

銅

鉛

スズ

水銀

たが，プルーストの説が定比例の法則として認められた（1799 年）。
単原子

1‑4 ドルトンの原子説
ドルトン 14） は 1808 年に出版した著書の中で原子に対する 1 つの酸素

水素

窒素

炭素

硫黄

リン

水銀

鉛

銅

鉄

ナトリウム

カリウム

考えを展開し，当時発見されていた質量保存の法則，定比例の法則を複原子うまく説明した。その要点は次のようである。
1） すべての物質は原子という分割することのできない粒子から水なる。
14） J. Dalton（ イ ギ リ ス の 化 学 者，1766 〜 1844 年）貧農の出身で，小学校のみであとは独学する。

炭素2） 原子は新たにつくることも，こわすこともできない。

図 1-33） 各元素はそれぞれ固有の原子からなり，同一元素の原子はすべ

アンモニア

硝酸

一酸化炭素酸化窒素

硫化水素

リン酸

古代の元素記号と（上）とドルトンの元素記号て同じである。

本

ドルトン

酸化窒素

4） 物質はそれを構成する元素の原子が整数個結合した複合原子

ドルトンの原子説はラボアジェの元素認定についで，長い期間続いた元素の相互変換の考え，およびその考えに基礎をおいた錬金術に終からなる。

ドルトンは複合原子内の原子の数を決める手段を知らなかったが，独自の元素記号（図 1-3）を考案し，その結合に関して次のような仮説をたてた。

ⅰ） 2 つの元素から 1 種の化合物ができるとき，最も可能性の大き止符を打った。すなわち「物質の本質は元素であり，元素は固有のしかも不変の粒子である原子からなる」としたのである。

いのは 1 つずつの原子からなる 2 原子の化合物である。

見ⅱ） 同じ元素からなる化合物が 2 種類あるときは，2 原子化合物と3 原子化合物である。

この仮説に対し，ドルトンは自ら多くの実験を重ねて「2 種の元素が結合して 2 種またはそれ以上の化合物をつくる1‑5 分 子 説
ゲイ・ルサック 15）は気体反応の実験結果から「気体どうしが反応するときそれら気体の体積は簡単な整数比をなす」

とき，一方の元素の一定量と化合する他の元素の量は互いに簡ことを見いだした。これが気体反応の法則（1808 年）である。さら単な整数比をなす」に彼はドルトンの原子説と合せて考察し，すべての気体は同体積中にという倍数比例の法則をみつけ，自らの原子説を支持した。

15） J.L. Gay-Lussac（ フ ラ ン ス の 物理学者，1778 〜 1850 年）パリのエコール・ポリテクニクに学び，1808 年にソルボンヌ大学の物理学教授となる。

同数の原子を含むと考えた。しかし，この考えを実験事実にあてはめると重大な矛盾に直面した。例えば，酸素と水素とから水（水蒸気）ができる反応についてみると，酸素原子を 2 つに分割しなければならない（図 1-4）。

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5第１章

表 1-2

化学の起源と発展

19 世紀末までの新元素の発見+

1789（ラボアジェ） 表 1-1 参照
酸 素（1 体積）

水 素（2 体積）

水（2 体積）（a）原子説+酸 素

水 素（b）分子説

図 1-4

16） A. Avogadro（ イ タ リ ア の 化 学

アボガドロ

者・ 物 理 学 者，1776 〜 1856 年 ）

16）

水蒸気

（8）

1800 〜 1809

Na，K，Nb，Rh，Pd，Ce，Ta，Os，Tr（9）1810 〜 1819

Li，Se，Cd，I（4）

1820 〜 1829

Br，Th

（2）

1830 〜 1839

V，La

（2）

1840 〜 1849

Ru，Tb，Er（3）

Rb，In，Cs，Tl（4）

1860 〜 1869

はそこで，ドルトンの複合原子に注目して，「酸素も水素もともに 2 つの原子が結びついた形で存在してい最初法律を学ぶが後に独学で数U，Zr，Sr，Ti，Y，Be，Cr，Te

1850 〜 1859

原子説，分子説による水の生成（33）

1790 〜 1799（0）1870 〜 1879

Sc，Ga，Sm，Ho，Tm，Yb（6）1880 〜 1889

Ge，Pr，Nd，Gd，Dy（5）1890 〜 1899

He，Ne，Ar，Kr，Xe，Po，Ra，Ac

（8）

る」

学，物理学を学ぶ。と考え，これを分子と呼んだ。これが分子説（1811 年）である。分

1‑6 現代の化学
原子に関する重要な発見が 19 世紀末頃から 20 世紀初頭にかけて

本子説によれば上述の水の生成について原子を分割する必要がなくな相次いでなされ，原子はドルトンの考えたような分割することのできる。

アボガドロは分子説に基づいて，ゲイ・ルサックの考えを修正しない究極の粒子ではなく，いくつかの素粒子 17）からなっていること

17） 物 質 を 構 成 す る 基 本 的 な 粒 子「すべての気体は同温・同圧・同体積中に同数の分子を含む」がわかってきた。またキュリー夫妻 18） によりラジウムが発見され，で，1930 年前半には陽子，中性子，とし，この考えを基に多くの気体の分子量を求めた。

それは放射線を放出して他の元素に変わることが明らかになった。こ電子，光子などが見出され，現在までに存在が確認されたものはのようにしてドルトンの原子説，および元素の不変説は否定され，錬200 種類以上にも達している。の元素の存在を唱え，これを拠り所とした錬金術が化学的技術に貢献

金術師の夢であった元素の変換についての確かな証拠が与えられた。

18） P. Curie（フランスの物理学者，してきた。以来 2000 年をへて，ラボアジェは質量保存の法則の発見

現代の化学は元素の本質のみならず，多くの物質の性質や構造を明1859 〜 1906 年）ソルボンヌ大学

により物質の本質で変化しないものは質量であることを認めた。またらかにし，また有用な物質を数多く作り出し，文明の発展に大きく貢当時までに知られていた基本的と考えられる物質 33 種を元素と認定献してきた。

した（表 1-1）。

見アリストテレスが水，空気，火，土の四大元素とこれらを結ぶ第五またドルトンは原子説により，原子の不変性を唱え，錬金術の考えを否定した。19 世紀には，この考えを基に化学は新しい発展をすることになり，その成果は新元素の発見にもみられる（表 1-2）
。

表 1-1

ラボアジェの認定した元素（1789 年）

金属元素
Sb，As，Bi，Co，Cu，Fe，Mn，Hg，Mo，Ni，Au，Pt，Ag，Sn，Pb，W，Znを卒業し，マリーキュリーと共同でポロニウムとラジウムの発見に
よ り マ リ ー と と も に 1903 年 にノーベル物理学賞を受賞。
M.Curie（ポーランド生まれの物
理 学 者，P.Curie の 妻，1867 〜1934 年）ポーランドで家庭教師をしながら数学と物理学を独学。
その後ソルボンヌ大学でピエールと知り合い結婚。ポロニウムとラジウムの放射能の研究で 1903 年に ノ ー ベ ル 物 理 学 賞，1911 年 にノーベル化学賞を受賞。

非金属，酸の成分
O，N，H，S，P，C
塩酸根（CI），フッ酸根（F），ホウ酸根（B）
酸化物を誤って元素としたもの
チョーク（CaO），マグネシア（MgO），バリタ（BaO），，シリカ（SiO2）
アルミナ（Al2O3）
全く誤りであるもの
光素（lumière），熱素（calorique）

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章末問題
１） 自然科学における法則はどのような過程で確立されるか，例をあげて説明せよ。

第２章

原子核と元素の起源

２） 化学の基本法則を例をあげて説明せよ。

原子は，正に荷電した原子核と，負に荷電した電子から構成されている。原子核の質量に比３） ドルトンの原子説の化学に対する意義について解説せよ。

べると電子の質量は圧倒的に小さく，質量のほとんどは原子核の質量であることになる。この

４） 錬金術の化学への寄与について述べよ。

原子核は，どのようにしてできているのであろうか。また，原子核の中には自然に崩壊していくもの，核分裂を起こしてエネルギーを放出するものもある。このような原子核の性質をどのように我々は利用しているのであろうか。

2‑1 原子核と同位元素
水素原子の質量を 1 とした時，他の元素の質量はほぼ整数で表され本る。例えば，炭素は約 12，窒素は約 14，酸素では約 16 となる。また，原子核のもつ正電荷の大きさも水素の原子核のそれの整数倍となっている。しかしこの電荷の比と質量の比は，水素原子以外は一致しない。
これらの事実と元素の質量がほぼその原子核の重さに等しいことを考え合わせると，原子核は，正に荷電した粒子（陽子）と，陽子とほぼ同じ質量をもち電荷的には中性な粒子（中性子という）とがそれぞれ整数個集まって構成されていると考えられる。また，前章で述べたよ

見

うに，元素としての性質は電子の数で決まっている。このことは，原子核の持つ正電荷の大きさで決まっているとも言える。すなわち，元素の化学的性質を決定しているのは陽子の数であり，原子番号に等しい。また，質量（原子量）を決定しているのは，陽子と中性子の合計である。この数を質量数という。また，質量数が違っていても陽子の数（原子番号）が同じであれば化学的には同じ性質を示す。この原子番号が等しく質量数の異なる原子のことを同位元素（同位体）という。
このような原子核の質量を正確に測定することができるのは磁場を利用した「質量分析器」と呼ばれる装置である。この装置によって水素や酸素は単一の物質ではなく，数種の質量の異なる原子の混ざった物であることがわかった。例えば，天然に存在する水素は，質量数 11）の混合の軽い水素と質量数 2 の重い水素（重水素と呼ばれている）物であり，その存在比は，約 10000：1.5 である。また，炭素や酸素などの元素も質量数の異なった原子の混合物である。それらを区別す

1） 軽水素と区別するために重水素には元素記号として D を用いることが多い。

るため次のように質量数を元素記号の左上に，原子番号を左下に書く。
質量数 ･･･････2H

原子番号 ･････1

さて，原子の質量を表すには，その 1 個の質量を kg 単位で表すこ

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