物質の変化と量

化学基礎の「物質量と化学反応式」では、原子や分子を、6.02×10²³ 個ずつのまとまりで数えます。このまとまりを 1 mol(モル)と呼び、mol で表した量を物質量といいます。モルの語源は、ラテン語で「塊」を意味する言葉だとされています。

水の分子 1 mol は 18 g で、大さじ 1 杯(15 mL)と少しです。その中に、6.02×10²³ 個の分子が入っています。1 秒に 1 個ずつ数えると、宇宙の年齢の約 140 万倍の時間がかかります。目に見える量の物質には、それほど膨大な数の粒が詰まっています。

1 mol に含まれる粒の数(アボガドロ定数)は、2019 年 5 月から、ちょうど 6.02214076×10²³ と決められています。それまでは、質量数 12 の炭素 12 g に含まれる原子の数として定義され、世界の研究機関が精密に測り続けてきました。

測定で活躍したのが、シリコンの単結晶を磨いた球です。産業技術総合研究所(産総研)の球は質量約 1 kg、直径約 93.6 mm で、最も長い直径と短い直径の差は 83 nm しかありません。地球の大きさにのばしても、でこぼこは 11 m ほどです。球の体積と原子が並ぶ間隔から、中の原子の数を数え上げたのです。

化学基礎では、酸と塩基を、水素イオン H⁺ を与えるか受け取るかで定義し直します。酸の H⁺ と塩基の OH⁻ が同じ物質量になったところで、中和はちょうど終わります。濃さの分かった塩基を少しずつ加えて酸の濃さを求める中和滴定も、化学基礎の代表的な実験です。

群馬県の草津温泉の湯は、酸性がとても強い温泉です。国土交通省によると、湯畑の湯は pH 約 2.0、草津白根山の火口湖・湯釜は pH 1.2 です。温泉街を流れる湯川の強い酸性の水は、かつて下流の吾妻川を、魚がすめない「死の川」にしていました。

そこで 1964 年、世界で初めての酸性河川の中和事業が始まりました。草津中和工場では、石灰石を細かく砕いた粉(主な成分は炭酸カルシウム)を水に混ぜ、湯川に流し込みます。使う量は 1 日約 55 t、1 年で約 2 万 t です。量は、毎日の pH の測定で決めています。

中和はゆっくり進み、約 3 km 下の品木ダムに入るころには、pH 5.5 程度になります。ダムの底には、中和でできた硫酸カルシウムなどが沈みます。いまの吾妻川には魚がすみ、下流の人たちが川の水を使えるようになりました。

化学基礎では、酸化と還元を、酸素のやり取りから電子のやり取りへと広げて学びます。電子を失うのが酸化、受け取るのが還元で、2 つは必ず同時に起こります。どちらが起きたかは、原子の酸化数が増えたか減ったかで判断します。

鉄がさびるのは、鉄が酸素に電子を渡して酸化鉄になる酸化です。製鉄はその逆で、鉄鉱石の酸化鉄から酸素を取り去る還元です。製鉄所の高炉では、石炭から作ったコークス(炭素)で酸化鉄を還元するので、二酸化炭素が出ます。

NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)によると、鉄鋼業は、日本の産業部門が出す二酸化炭素の約 40% を出しています。そこで、炭素の代わりに水素で鉄鉱石を還元する研究が進んでいます。水素で還元すれば、出てくるのは二酸化炭素ではなく水です。NEDO のプロジェクトは、2030 年までに製鉄の二酸化炭素を 50% 以上減らせる技術を目指しています。

酸化剤と還元剤は、暮らしの中にもあります。塩素系の漂白剤は、強い酸化剤として色素を分解します。酸性タイプの洗剤と混ざると有毒な塩素が出るので、「まぜるな危険」の表示がある製品は、決して混ぜないでください。化学基礎では、金属のイオンへのなりやすさ(イオン化傾向)とダニエル電池にも触れます。