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中学3年生 (14-15歳)

中3 気体反応の法則 わかりやすく

Gay-Lussac's Law of Combining Volumes

同じ温度・圧力のもとで気体どうしが反応するとき、反応する気体と生じる気体の体積の間には1 : 1 : 2や2 : 1 : 2のような簡単な整数比が成り立ちます。これを気体反応の法則といいます。 水素2体積と酸素1体積が反応すると水蒸気2体積ができ、反応前の3体積が反応後には2体積に減るので、体積は質量とちがって保存されないこともわかります。 アボガドロは、同じ体積の気体には種類に関係なく同じ数の分子がふくまれると考えました。そうであれば体積比は分子の数の比であり、化学反応式の係数の比と等しくなります。 下の図の箱には、同じ体積ごとに同じ数の分子模型が入っているので、反応の前後で原子がどう組みかわるかを数えることができます。

気体が反応するときの体積比

🎈 体積が簡単な整数比になる
①ゲーリュサックは1808年、同じ温度・圧力で気体どうしが反応するとき、体積がいつも簡単な整数比になることを見つけた
②水素2体積と酸素1体積が反応すると水蒸気2体積ができる（2 : 1 : 2）
③反応前の体積の合計と反応後の体積は等しいとは限らない。質量は保存されるが、体積は保存されない
H₂ + Cl₂
📝 3つの反応の体積比
①水素＋塩素→塩化水素：H₂ + Cl₂ → 2HCl、1 : 1 : 2
②水素＋酸素→水蒸気：2H₂ + O₂ → 2H₂O、2 : 1 : 2
③窒素＋水素→アンモニア：N₂ + 3H₂ → 2NH₃、1 : 3 : 2
④図の箱ごとに分子模型の原子を数えると、反応の前後で原子の種類と数が等しい

アボガドロの法則

🔬 同じ体積には同じ数の分子
①温度と圧力が同じなら
②気体の種類に関係なく
③同じ体積の中に同じ数の分子がふくまれる
④分子の大きさはちがっても、気体では分子どうしの間隔のほうがずっと大きいので、体積を決めるのは分子の大きさではなく分子の数である
22.4 L

体積比が分子の数の比になるわけ

💡 気体反応の法則とアボガドロの法則をつなぐ
①ドルトンのように水素と塩素を原子1個ずつと考えると、水素1体積と塩素1体積からは塩化水素が1体積しかできないはずである
②ところが実際には塩化水素が2体積できる
③アボガドロは、水素と塩素が原子2個からなる分子（H₂、Cl₂）だと考えてこの結果を説明した
④同じ体積に同じ数の分子があるので、体積比1 : 1 : 2は分子の数の比1 : 1 : 2であり、反応式H₂ + Cl₂ → 2HClの係数の比と等しい

まとめ

気体反応の法則
反応する気体と生じる気体の体積比 = 簡単な整数比
同じ温度・圧力ではかった体積どうしを比べる
アボガドロの法則
同じ温度・圧力、同じ体積 → 同じ数の分子
0 °C、1気圧で気体1モルの体積は約22.4 L（高校でくわしく学ぶ）
大事な関係
体積比 = 分子の数の比 = 反応式の係数の比
反応に関わる物質がすべて気体で、温度と圧力が同じときに成り立つ
🎯 よく出るポイント
①同じ温度・圧力では、気体の反応の体積比は簡単な整数比になる
②同じ体積の気体には、種類に関係なく同じ数の分子がふくまれる
③気体の反応では、体積比は分子の数の比、反応式の係数の比と等しい
④反応の前後で体積の合計は変わることがあるが、質量と原子の種類・数は変わらない
⑤水蒸気のように生成物も気体のときだけ、体積比をそのまま使える

例題と単元テスト

例題 1
同じ温度・圧力で水素と酸素が反応して水蒸気になる（2H₂ + O₂ → 2H₂O）。水素20 mLがすべて反応するには酸素が何mL必要か。また、水蒸気は何mLできるか。
1
すべて気体なので、体積比は反応式の係数の比と等しく、H₂ : O₂ : H₂O = 2 : 1 : 2である。
2
水素が20 mLなら、酸素はその半分の10 mL、水蒸気は水素と同じ20 mLである。
▸ 酸素が10 mL必要で、水蒸気が20 mLできる
反応前に30 mLだった気体が、反応後には20 mLになる。体積は減ったが、原子の数と質量はそのままである。
例題 2
同じ温度・圧力で、同じ体積の水素と酸素にふくまれる分子の数を比べるとどうなるか。また、このことは気体の反応の体積比とどうつながるか。
1
アボガドロの法則により、同じ温度・圧力では、同じ体積の気体には種類に関係なく同じ数の分子がふくまれる。
2
したがって、気体どうしが反応するときの体積比は分子の数の比と等しく、反応式の係数の比とも等しい。
▸ 分子の数は等しい。そのため、体積比 = 分子の数の比 = 係数の比となる
アボガドロの法則があるからこそ、目に見えない分子の数を、体積をはかることで比べられる。
単元テスト
気体反応の法則とアボガドロの法則についての説明として正しいものは？
①気体反応の体積比は常に複雑な小数比である
②同じ体積の気体には種類によって分子数が異なる
③気体反応の体積比は化学反応式の係数比に等しい
④アボガドロの法則は固体でのみ成り立つ
⑤0°C、1気圧で気体1モルの体積は11.2 Lである
▸ ③ 気体反応の体積比は化学反応式の係数比に等しい
1
気体反応の体積比は簡単な整数比で（①誤）、同じ体積の気体には種類に関係なく同じ数の分子がある（②誤・アボガドロ）。
2
アボガドロの法則は気体で成り立ち（④誤）、0°C・1気圧で気体1モル = 22.4 Lである（⑤誤）。気体反応では体積比＝係数比である（③正）。
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