東京工科大学　工学部　応用化学科　ブログ

　化学を勉強した人間なら「アボガドロ」と来たら「6.02×10²³」となるのですが、今回は「アボガドロの法則」のお話し。

　例によって Wikipedia での説明を引用しましょう。「アボガドロの法則」は

同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の分子が含まれる

という法則です。これは「倍数比例の法則」などと違って原子や分子の概念を知っていてもどうしてそうなるのか分からないのではないでしょうか。化学を学び始めた学生さんに、この「アボガドロの法則」を納得できるように説明するのは難しいと思います。

　いえ、ダルトンの原子論とゲイ=リュサックの気体反応の法則を矛盾無く説明するための理論だ、という説明は問題ないのです。「同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の原子が含まれる」と考えてしまうと気体反応の法則を巧く説明できない。だから分子という概念を考えて...、とその部分に注目すれば「アボガドロの法則」は分子の概念の必然の結果として理解できる。

　でも、そもそもの疑問として「同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の」何らかの粒子が含まれる、という仮説はどう納得すれば良いのでしょうか？

　このブログ記事の内容は私（江頭）の個人的意見であり、学校法人片柳学園、東京工科大学、あるいはその一部（工学部、応用化学科）の組織としての意見をかならずしも反映するものではありません。

　さて、予防線を引いたのでここから私個人の意見を展開させてもらいましょう。

　化学の基礎を学ぶといろいろ人名がついた法則がでてきます。うーん、誰が誰だったっけ。良くわからん。そう思っているあなたに朗報です。「ゲイ=リュサックの法則」は試験にでない。これは試験問題の作成にかかわった（何時どこでだって？禁則事項です。）経験からの私の意見です。

　例えば以下の様な問題を考えてみましょう。

「ゲイ=リュサックの法則」の内容としてもっともふさわしいものを以下の選択肢から選べ

A) 2種以上の気体が関与する化学反応について、反応で消費あるいは生成した各気体の体積には同じ圧力、同じ温度のもとで簡単な整数比が成り立つ。

B) 一定の圧力の下で、温度の上昇に対して気体の体積が単調に増加し、一定の温度上昇に対して気体の種類に依らず同じように膨張する。

皆さん、これどちらが正解だと思いますか？

　このブログで「倍数比例の法則」「ダルトンの法則」そして「ボイル＝シャルルの法則」について述べてきたので、まとめてコメントを一つ。

　化学の教科書にはこのような「○○の法則」というのが結構な数でてきます。これらの法則はどの程度覚えておくべきなのでしょうか。

　「倍数比例の法則」について紹介したところで述べたのですが、この法則は「原子から物質が出来上がっていることを理解していればあまりにも当たり前」で「なんでこれが法則と呼ばれるほど重要なのか」分からないと思います。 「ダルトンの法則」も理想気体が何かを理解していれば当然のこと、「ボイル＝シャルルの法則」の法則も理想気体の状態方程式の応用に過ぎません。

　原子や分子そして理想気体というものはそもそも、これらの法則を統一的に説明する、もっと言うと個別の覚えなくても済むようにするために作り出されたものです。極論すれば、原子、分子、理想気体について理解していればこれらの法則は忘れてしまっても構わないと言えるでしょう。

　では、なんで高校でこれらの法則が教えられるのでしょうか。覚える必要の無いものなのに。

　「倍数比例の法則」「ダルトンの法則」ときて今回は「ボイル＝シャルルの法則」について触れてみようと思います。今回も Wikipedia から「ボイル＝シャルルの法則」の説明を引用してみましょう。

気体の圧力P は体積V に反比例し絶対温度T に比例する

なるほど。「理想気体の状態方程式を知っていれば当たり前すぎてなんで法則と呼ぶのか分からない」とか「絶対温度って何よ。これって絶対温度の定義じゃないの」とか思うのですが、これは置くとしましょう。今回の紹介したいのは表題のセリフ「ボイル＝シャルルの法則を生まれてはじめて使いました」というもの。これ、学生さんとガスクロでガスの組成を測る実験を一緒にしていたときに言われた言葉です。

　ガスクロという装置にサンプルのガスを注入すると、そのサンプル内にどんな成分がどれだけ（ mol数、おっと今は物質量ですね ）含まれているかがわかる。そんな測定です。ガスの各成分の比率が知りたいだけなら、それだけでOK。でもサンプル内のガスの全ての成分を測定できたかどうか、を確認したいと思ったら装置に注入されたサンプルの量を調べて、それが各成分の量の総和と等しい（もちろん誤差があって正確に一致はしませんが）かどうかを検証する必要があります。

　混合ガスをガス採取用のシリンジ（小さい注射器です）で決められた体積だけサンプリングする。これでサンプルの体積を決めることはできます。しかし、同じ体積でも温度の高い日はガスは膨張している。逆に寒い日ならガスは収縮しているので、体積を知るだけではサンプルの量を正確に求めることはできないのです。

　そう説明をして、学生さんにガスクロでの分析時の温度と圧力を測定しておくように手順の説明をしました。そのときの学生さんのリアクションが「ボイル＝シャルルの法則を生まれてはじめて使いました」となるわけです。

　今回は私が高校生のころのお話です。最初に教科書（参考書だったかな）で「倍数比例の法則」を知った時の話です。

　まず「倍数比例の法則」について。Wikipediaの記事（下図）にある様に、「元素Aを含む複数の元素が、複数の化合物、例えばXとYを構成するときにX、Yそれぞれに含まれるAの質量は簡単な整数比になる」という法則です。この記事では具体例として一酸化炭素と二酸化炭素の例が挙げられているのですが、私が見た参考書では酸化銅の例が挙げられていました。これは歴史的な経緯を反映したものだったのですが、一酸化炭素や二酸化炭素の例に比べるとシンプルさに欠けるのでは。まあそれは数値が複雑だ、という程度の話なのですがこの参考書に例外として不定比化合物の説明まで書いてあったのです。

　一体何が言いたいのだろう？これが当時の私の印象です。

　人間が文化的な生活を送るためには資源やエネルギーが必要です。その資源やエネルギーを得るためにはどうしても環境への影響を与えてしまう。これが「人間(People)」と「自然(Planet)」との相克であり、そのバランスをとることがサステイナブル工学の一つの目的でもあります。

　さて、今回のお題は「人間(People)」はどのぐらいのエネルギーを必要としているのか。具体的にどの程度なのでしょうか。日本を例に考えてみたいと思います。

　元ネタは資源エネルギー庁の「エネルギー動向」。2026/02/03現在、2025年6月版が公開されています。ちょっと眺めるとちょうど良い図がありました。「 第1章　国内エネルギー動向 / 第1節　エネルギー需給の概要」に以下の図が載っています。「【第11-1-3】日本のエネルギーバランス・フロー概要（2023年度）」とありますから最新版でも2023年度のデータなのですね。

　この記事を読んでいるあなたがもし高校生なら「触媒」という言葉を聞いたことがあるのではないでしょうか。触媒は「化学反応を加速するが、それ自体は変化しない物質」のことです。でも少し真面目に考えるとこの定義は変ですよね。だって自分は変化しないのに他の分子の反応を早くする、なんて不思議な話です。

おい、そこのおまえ（分子）、あっちの分子と反応しろよ！

いえね、あなた（分子）には、あちらの分子がほんとにお似合いだと思うのよ。

いや、分子や触媒にコミュニケーション能力、というか意思や知能はないのですから、命令や説得で反応を加速することはできません。どう考えても触媒は（例え一部分でも）反応物の分子と接触して、完全な化学結合ではなくても、なにがしかの相互作用を起こしていると考えないと辻褄が合いません。その意味で反応中の触媒は「変化している」のですが、触媒の定義では反応が終了した時点で元に戻っていれば「変化しない」認定されるのですね。

　さて、触媒は反応物の分子と接触しないと機能できない、ということは重要です。例えば化学工業で広く用いられている固体の触媒ですが、この固体触媒で機能できるのは他の分子と接触できる表面だけだ、ということになります。ものの値段は大抵その量（質量）で決まりますが、触媒の性能は表面積で決まる、ということです。なら質量に比べて表面積の大きな触媒が「コスパが良い」ことになりますね。

　例えば球体の触媒を考えてみましょう。半径をrとするとその体積は (4/3)πr³ 、表面積は 4πr² ですから体積当たりの表面積（比表面積と呼ばれます）は 3/r となります。つまり球のサイズが小さいほど比表面積が大きく、コスパが良いのです。

　固体触媒にはいろいろな種類がありますが、例えば金属コバルト（こちらの記事でも少し触れました）も有名な触媒の一種です。金属の微粒子、それもサイズが小さい粒子ほどコスパが良いとなれば、コバルトのなるべく小さい粒子を造ろうと考えるのは自然な流れですね。

写真は富士シリシア化学さんのWEBサイトから。私もサンプルを提供してもらっています。

……　おや！？

ピカチュウの　ようすが……！

「進化」という言葉は本来は生物学の用語で、ある「種」に属する生物の集団の形質が世代を経るに従って変化し、やがて新たな「種」として確立される、というプロセスのことです。

　そういう意味ではこのピカチュウの進化や、前回の記事で触れたビオランテの進化、というか「変身」は正確には進化とは言えません。とはいえ、進化という言葉はより、一般的･抽象的に、なにかが変化して複雑になったり高度化したりするという意味にも使われたりもします。深化と書いたりね。ですから、まあ目くじらを立てるようなことではないでしょう。

　さて、生物学的な意味での進化について。世間的に一番有名なのはダーウィン、正確にはチャールズ・ロバート・ダーウィン（Charles Robert Darwin 1809-1882）とその著書「種の起源」の名前でしょう。ダーウィンの名前があまりにも有名なので、中にはダーウィンが「進化」を発見した、と思っているひとも居そうです。でも、進化という現象、つまり種が変化していく、という事実は「種の起源」以前から知られていました。ダーウィンが偉いのは「進化」を発見したからではなく「進化」が起こる仕組みについて皆が納得できるような説明を提案したからなのです。（いや、まあダーウィンさんには他にも褒められるべき偉い点がたくさんあったとは思いますが……。）

　ダーウィンによると進化は「変異」「遺伝」「自然選択」の三つで説明できます。

　生物が世代を重ねることに「変異」が生じ、その形質は「遺伝」によって引き継がれる。形質によって周囲の環境による影響の受け方が違うので、有利な（生き残りやすい）形質をもった個体が種の中で多数を占める様になり、やがてその集団の中で一般化する。それが積み重なっていつかは元の種とは別の種に「進化」するのだ。

ということですね。

　これのどこが偉いのか。今の私達にはピンとこないのですが19世紀という時代背景を考えるとその意義が分かってきます。この進化の説明には生物自身の意志とか超自然的な設計者（つまり「神」とか「宇宙意志」とか「任天堂」とか「東宝」とかですね）の存在を必要としないのです。この考え方なら、単純な物理化学的なプロセスだけで「進化」という自然の驚異を説明できそうだ。そして後年、本当に説明できることが示されたのです。

　逆に考えてダーウィンの示した「変異」「遺伝」「自然選択」の三つの要件が満たされれば「進化」が起こるのでしょうか。正に然り。前回の引き、「異常プリオンは進化するのか」をここで回収しましょう。プリオンの進化について、以下のScience誌の2010年の論文から紹介します。

Li, J., Browning, S., Mahal, S. P., Oelschlegel, A. M., & Weissmann, C. (2010). Darwinian evolution of prions in cell culture. Science, 327(5967), 869–872.  https://www.science.org/doi/10.1126/science.1183218

「自己再生能力の遺伝子をもったゴジラ細胞で永遠の命をもつ植物を創ったつもりだった」

これは1989年公開の（私が大好きな）映画「ゴジラVSビオランテ」の登場人物、白神博士のセリフです。当時は「バイオテクノロジー」が非常に注目を集めていましたから、ゴジラに登場する怪獣もバイオテクノロジーの産物という設定に。ゴジラ細胞を利用して生み出された怪獣、それがビオランテなんですね。私は「ゴジラって細胞でできてるんだ」となんか驚いた記憶があります。あれで普通の生物とおなじだと言われてもなあ。

　さて、この白神博士のセリフ「自己再生能力の遺伝子」こそ生命としてのゴジラの、いやゴジラじゃなくても生命というものの基本を言い表しているのでは。もっとも「自己再生能力」より「自己複製能力」と呼ぶほうがしっくりくるかな。つまり生命の本質は「自己複製能力」と「遺伝子」ですね。ではこの二つの要素「自己複製能力」と「遺伝子」のどちらがより生命の本質なのか、どちらか一つを選べ、と言われたらあなたはどちらを選ぶでしょうか。

　自己複製がなければ遺伝子も意味を成さない。そう考えると「自己複製能力」の方が生命の本質なのか。それでは「遺伝子」がなくて「自己複製能力」だけがあれば生命だ、ということなのか。いや、そもそも「自己複製能力」だけで「遺伝子」がない、そんな実例がなければこんな議論は机上の空論ですよね。

　でも実は有るんですよね。「遺伝子」がなくて「自己複製能力」だけがあるものが。前回紹介したBSEの病原体「異常プリオン」がそれです。

　異常プリオンの自己複製について、以下の文献をもとに説明しましょう。

堀内基広「総説 異常型プリオン蛋白質の生合成と伝達」膜(MEMBRANE),30(2),78-83(2005)

図は上記論文より引用

　以下の写真は東京工科大学キャンパスにある「FOODS FUU」という建物。頭に「FOODS」とある様に食堂を中心としたお店の入っている建物です。（もっともコンビニや本屋さんも入っていますが。）そして、この建物の中には牛丼で有名な吉野家さんも入っています。

　さて、このブログを読んでいるあなたがもし高校生だとして、この吉野家さんで牛丼が販売中止になっていた期間がある、という話を知っているでしょうか？

　吉野家さんのWEBサイトで「吉野家の歴史」を見ると2004年に「2月11日、吉野家での牛丼販売が終了した。」とあります。そして2008年には「3月、牛丼の24時間販売を再開。」とも。限定的な販売再開はあったものの、牛丼の販売は約4年間中止されていたのです。

　ではなぜこの期間、吉野家の牛丼を食べることができなくなったのでしょうか。理由はやはり吉野家さんのWEBサイトにありました。「米国でBSEに感染した疑いのある牛が発見されたことより、米国産牛肉の調達が不可能に。」これが原因なのです。

「BSE」は「狂牛病」ともよばれ、正確には「牛海綿状脳症」という牛の脳の病気です。そしてこのBSEが世界に広がった原因こそ、前回紹介した「肉骨粉を通じた牛の体のリサイクル」なのです。

　子牛に母牛（とは限らないが）の体の一部（肉など有価物を取り去った残渣）を飼料として食べさせる、肉骨粉の利用というリサイクルは単にグロテスクな感じがする、というだけではなく現実的な問題もはらんでいました。BSEを発症している牛の体の一部を子牛が食べることで子牛にもBSEが伝染するのです。牛と肉骨粉のリサイクル、そのサイクルの中にBSEの病原体が一旦混入すると継続的にBSEの牛が作り続けられるのです。