状態・エネルギー・平衡

化学の「化学反応とエネルギー」では、反応で出入りする熱を、物質がもつ化学エネルギーの差として学びます。熱を出す発熱反応だけでなく、周りから熱を吸う吸熱反応もあります。折ると光るケミカルライトのように、エネルギーが光として出る化学発光も扱います。

化学反応のエネルギーを、電気として取り出すのが電池です。始まりは、カエルの足に金属が触れるとけいれんすることに気づいた、イタリアのガルバーニの実験でした。これをヒントに、1800 年、ボルタが銅と亜鉛と食塩水で電池を作りました。電圧の単位ボルト(V)は、ボルタの名前にちなみます。

ボルタの電池は、使い始めるとすぐに電圧が下がる弱点がありました。約 35 年後、イギリスのダニエルが改良に成功します。亜鉛と硫酸亜鉛水溶液、銅と硫酸銅(II) 水溶液を素焼きの板で仕切り、安定した電気を取り出せるようにしたのです。これがダニエル電池で、電圧は約 1.1 V です。

ダニエル電池では、亜鉛が電子を失って亜鉛イオンになり(酸化)、その電子が導線を通って銅板に移ります。銅板では、銅(II) イオンが電子を受け取って銅になります(還元)。電池は、酸化と還元を別々の場所で起こし、間を流れる電子を電流として使うしくみです。化学では、乾電池やリチウムイオン電池、燃料電池などの実用電池も学びます。

電池とは逆に、外から電気を流して反応を起こすのが電気分解です。化学では、流した電気の量と、変化した物質の量が比例すること(ファラデーの法則)を学びます。電子 1 mol 分の電気量は約 9 万 6500 C で、ファラデー定数と呼ばれます。

アルミニウムは、鉱石から取り出した酸化アルミニウムを、高温で溶かして電気分解してつくります。アルミニウムのイオンは、1 個が電子を 3 個受け取って原子になるので、たくさんの電気が要ります。1 円玉 1 枚(1 g)分でも、1 A の電流を約 3 時間流し続ける電気量が必要です。

NEDO の資料によると、日本はアルミニウムの新地金を 100% 海外から輸入しています。一方、使い終わったアルミニウムから作る再生地金は、製造に必要なエネルギーが新地金の約 3% で済むといわれます。アルミ缶を分別して出すことが、大きな省エネルギーになるのはこのためです。

電気分解は、電線に使う銅の純度を高める電解精錬や、食塩水から水酸化ナトリウムと塩素をつくる工業など、多くの工場で使われています。化学では、硫酸銅(II) 水溶液などを電気分解し、電極に付いた銅の重さと流した電気の量を比べる実験を行います。

化学の「化学反応と化学平衡」では、反応の速さが、濃度や温度、触媒で変わることを学びます。食べ物を冷蔵庫に入れると傷みにくいのも、温度を下げて、微生物のはたらきや成分の変化を遅くしているからです。さらに、行きと帰りの両方向に進む反応(可逆反応)は、やがて見かけ上、変化が止まった状態になります。これが化学平衡です。

平衡にあるときに条件を変えると、その変化を打ち消す向きに平衡が移ります。これがルシャトリエの原理です。ある物質を増やせば、それを減らす向きに、温度を上げれば、熱を吸う向きに反応が進みます。この原理を使うと、工場で目的の物質を効率よくつくる条件を考えられます。

山口県の秋芳洞は、国の特別天然記念物に指定された、国内最大級の鍾乳洞です。秋吉台の地下 100 m にあり、洞内の総延長は 10 km を超えます。この洞窟も、平衡の移動でできました。二酸化炭素を溶かした雨水が、石灰岩(炭酸カルシウム)を少しずつ溶かして、地下に空洞を広げたのです。

洞窟の中で水から二酸化炭素が抜けると、今度は溶けていた炭酸カルシウムが固まり、鍾乳石になります。どちらも、CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca(HCO₃)₂ という 1 つの式で表せます。二酸化炭素が多いと右へ、少ないと左へ進むのです。同じ式が、洞窟をつくり、鍾乳石を育てることになります。