質量保存の法則

メタン16.04 gを酸素64.00 g中で燃やすと、二酸化炭素44.01 gと水36.03 gができます。反応前後の質量はともに80.04 gです。

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反応前後の質量を積み重ねて示します。縞模様のブロックは気体です。ふたを開けると、出入りする気体ははかりで量れなくなります。

数キログラムの丸太を燃やすと、残る灰はずっと軽くなります。屋外に置いたくぎは、さびると重くなります。この2つの現象から、ある反応では物質が消え、別の反応では生まれるように何世紀もの間考えられていました。しかし、どちらも気体を量っていなかったという同じ見落としでした。火からは煙や二酸化炭素が出ていき、鉄には空気中の酸素が結びつきます。

ラボアジエと密閉したフラスコ

背景フランスの化学者アントワーヌ・ローラン・ラボアジエは、空気も含めてすべてを量ることで、この問題を解決しました。1774年に記され1777年に公刊された科学アカデミー向けの論文で、ガラス容器に密閉したスズを加熱する実験を述べています。容器内の固体の質量は増えましたが、閉じ込めた空気の質量がちょうど同じだけ減ったため、容器全体の重さは変わりませんでした。金属の増えた質量は空気に由来したのです。1789年の教科書『Traité élémentaire de chimie』では、どの操作でも前後に存在する物質の量は等しいという決まりを示しました。ラボアジエはフランス革命中の1794年に処刑されましたが、この法則は残りました。

現在、この決まりを質量保存の法則、または物質保存の法則と呼びます。ある物質が別の物質に変わっても、物質の総量に検出できる変化はありません。係数の合った反応式は、同じ法則を原子で表したものです。化学反応で原子が生まれたり消えたりすることはないので、原子数が合えば質量も合うはずです。

原子からグラムへ

反応式を質量に結びつけるため、化学ではモルで数えます。1モルは6.02214076 × 10²³個の粒子で、国際単位系で厳密に定められた数です。物質1モルの質量であるモル質量は、化学式中の原子量の合計をグラムで表したものです。IUPACの原子量、水素1.008、炭素12.011、酸素15.999を使うと、メタンCH₄は1モルあたり12.011 + 4 × 1.008 = 16.043 g、O₂は31.998 g、CO₂は44.009 g、H₂Oは18.015 gです。

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂Oをモルで読んでみましょう。メタン1モル16.043 gが酸素2モル63.996 gと反応し、合計80.039 gです。生成物はCO₂が1モル44.009 g、水が2モル36.030 gで、合計はやはり80.039 gです。実験の量のスライダーを動かすと、両方の棒が一緒に伸び、合計が食い違うことはありません。

開いた容器では法則に反するように見える理由

実験で炭酸カルシウムを選びましょう。100.09 gを強く加熱すると、酸化カルシウム56.08 gと二酸化炭素44.01 gができます。密閉容器では、最後のはかりの表示は100.09 gです。ふたを開けると気体が逃げ、表示は56.08 gだけになります。重曹と酢でも同じように、二酸化炭素の泡の質量が失われます。スズは逆です。開いた容器では空気中の酸素を取り込むため、固体の質量が増えます。これはラボアジエが測定した現象そのものです。どの場合も、減ったり増えたりした質量は気体であり、原子はすべて説明できます。

水H₂Oのモル質量を小数第1位まで求めると、いくらですか？
メタン16.04 gが酸素64.00 g中で燃えます。生成物の総質量は何グラムですか？
CaCO₃を100.09 g加熱するとCaOが56.08 gできます。CO₂は何グラム生じますか？
丸太を燃やすと、残る灰が軽くなるのはなぜですか？
- CO₂などの気体が空気中へ逃げるから
- 火によって質量が消えるから
- 熱には負の質量があるから
- 灰は新しくできた原子からなるから
開いた容器でスズを加熱すると質量が増えるのは、なぜですか？
- 空気中の酸素と結びつくから
- 熱が質量を加えるから
- スズ原子が分裂するから
- 表面に水が凝結するから
ラボアジエの『Traité élémentaire de chimie』は何年に出版されましたか？
1モルには何個の粒子がありますか？
- 6.02214076 × 10²³
- 1,000
- 6.02 × 10¹⁰
- 100
H₂が2 mol、O₂と完全に反応します(2H₂ + O₂ → 2H₂O)。水はおよそ何グラムできますか？
開いたコップで重曹と酢を反応させます。反応後のはかりの値はどうなりますか？
- CO₂が逃げるので小さくなる
- 泡は重いので大きくなる
- まったく同じ
- ゼロ

ポイント

反応の前後で総質量は変わりません（ラボアジエ、1789年）。
モル質量は原子量の合計をグラムで表したものです。1モルは6.02214076 × 10²³個の粒子です。
開いた容器では気体が出入りするため、原子が保存されていても、はかりの表示は変わります。

このコースの出典 (14)

OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 law of conservation of matter, 1.3 chemical change (rust, combustion, cooking and rotting)
4.1 balancing by inspection (CH4 + 2O2, 2H2O to 2H2 + O2, 2N2 + 5O2 to 2N2O5)
4.2 precipitation (PbI2 from KI and Pb(NO3)2, AgCl insoluble)
redox (Na + Cl2, copper wire in silver nitrate)
combustion, 5.1 specific heat of water 4.184 J/g °C, 5.3 enthalpy (ΔH < 0 exothermic; ΔHc CH4 −890.8, H2 −285.8, ethanol −1366.8, methanol −726.1 kJ/mol; 1.00 L isooctane 33,100 kJ; ozone formation endothermic)
12.2 factors affecting rates (sodium and iron in air, calcium and sodium in water, sawdust, rate roughly doubles per 10 °C, phosphorus in pure oxygen, air about 20% oxygen, H2O2 decomposition)
12.5 collision theory and Arrhenius equation (R = 8.314 J/mol/K, catalytic converters)
12.7 catalysis and enzymes
NIST Chemistry WebBook methane ΔcH°gas −890.7 ± 0.4 kJ/mol (webbook.nist.gov)
NIST CODATA Avogadro constant 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ exact (physics.nist.gov)
IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights (H 1.0080, C 12.011, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Ca 40.078, Fe 55.845, Sn 118.71; ciaaw.org)
ACS International Historic Chemical Landmark, The Chemical Revolution of Antoine-Laurent Lavoisier (acs.org, Traité élémentaire de chimie 1789, quotation on conservation of mass)
Lavoisier, memoir on the calcination of tin in closed vessels, Mémoires de l'Académie Royale des Sciences for 1774, published 1777 (via web.lemoyne.edu/giunta/classicalcs/lavoisier.html)
PubChem sodium bicarbonate and acetic acid pages (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).

確認日: 2026-10-17