化学反応 — 原子の組み換え

1.物理変化と化学変化

氷がとけたり紙を切ったりするのは、物質の形や状態だけが変わる物理変化です。一方、紙が燃えて灰と煙になったり、鉄がさびたり、肉を焼くと色や味が変わったりするのは、もとと違う新しい物質ができる化学変化です。

化学変化の正体は原子の組み換えです。原子どうしの結合が切れ、別の相手と新しく結びつくことで、性質の違う物質がつくられます。色の変化、気体の発生、沈殿ができること、熱や光の出入りは、化学変化が起きた手がかりになります。

2.質量保存と化学反応式

化学反応の前後で、原子の種類と数は変わりません。そのため反応前の物質全体の質量と、反応後の物質全体の質量は等しくなります。これが質量保存の法則です。

木を燃やすと、灰はもとの木よりずっと軽く見えます。質量が消えたのではなく、二酸化炭素と水蒸気が空気中に出ていったからです。反対にスチールウールを燃やすと、空気中の酸素と結びついて質量が増えます。密閉した容器の中で反応させれば、前後の質量が同じであることを確かめられます。

化学反応式は、反応する物質を左側に、できる物質を右側に化学式で書き、矢印で結びます。そして両側の原子の数が同じになるように、化学式の前に係数をつけます。化学式の中の小さな数字（H₂Oの2）は物質そのものを変えてしまうので決して変えず、前の係数だけを調整します。

3.反応式で量を計算する — 燃料を燃やすと二酸化炭素はどれだけ出るか

係数を合わせた反応式は、原子がいくつずつ反応するかを教えてくれるので、原子の相対的な質量がわかれば、物質が何gずつ反応し、何gずつできるかも計算できます。ここでは水素1、炭素12、酸素16というおおよその原子量を使います。分子の質量は、その中の原子量をすべて足した値です。

この計算をすると、意外な結果が一つ出てきます。燃料を燃やしてできる二酸化炭素は、もとの燃料より重いのです。燃料の中の炭素原子一つが、空気中の酸素原子二つと結びつくからです。質量保存の法則に反しているのではなく、空気から取り込んだ酸素の質量が加わったのです。

4.酸と塩基、そしてpH

酸は水にとけて水素イオン（H⁺）を出す物質で、すっぱい味がし、金属と反応して水素を発生させることが多いです。酢、レモン汁、炭酸飲料が酸性です。塩基は水にとけて水酸化物イオン（OH⁻）を出す物質で、苦い味がし、さわるとぬるぬるします。せっけん、重曹をとかした水、排水口用の洗浄剤が塩基性です。実験室でなければ、味やさわった感じで確かめてはいけません。

酸性や塩基性の強さはpHで表します。25 °CでpH 7が中性、7より小さければ酸性、大きければ塩基性です。pHは1違うごとに水素イオンの濃度が10倍ずつ変わる対数の目盛りです。そのためpH 3の溶液は、pH 5の溶液より水素イオンの濃度が 10 × 10 = 100倍高くなります。対数の目盛りは「数学の基礎」第5講で扱います。

酸と塩基が出会い、水素イオンと水酸化物イオンが水になりながら、たがいの性質を打ち消し合う反応を中和反応といいます。魚の生臭さ（塩基性の物質）をレモン汁でやわらげるのが、身近な例です。

5.酸化・還元と燃焼

物質が酸素を得たり電子を失ったりする反応を酸化、酸素を失ったり電子を得たりする反応を還元といいます。ある物質が酸化されれば、別の物質が必ず還元されるので、両者は同時に起こります。鉄が空気中の酸素や水にふれてさびるのが、代表的な酸化です。溶鉱炉で鉄鉱石から酸素を取り除いて鉄を得るのは還元です。スマートフォンの電池も、充電と放電のときに酸化・還元反応でエネルギーをたくわえたり出したりしています。

皮をむいたりんごが茶色くなるのも酸化に関係しています。りんごの中の物質が、酵素のはたらきで空気中の酸素と反応するからです。レモン汁をかけたり、うすい食塩水に少しひたしておいたりすると、変色が遅くなります。

燃焼は、物質が酸素と激しく結びついて熱と光を出す酸化反応です。燃焼が起こるには、燃えるもの、酸素、発火点以上の温度という三つの条件がすべて必要です。火を消す方法は、このうち一つを取り除くことです。まきをどける（燃えるものを取り除く）、砂やぬれた毛布をかぶせる（酸素を断つ）、水をかける（温度を下げる）といった方法です。

ただし、油に燃え移った火に水をかけると、水が一瞬で沸騰してはね、火のついた油をまわりに飛び散らせて、かえって危険になります。フライパンの油火災は、ふたをかぶせて酸素を断ち、火を消すのが基本です。