【コラム】化学の歴史―第2部
2020/05/06
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原子論への回帰と現代化学の台頭
1808年、ジョン・ドルトン(1766~1844年)は『化学哲学の新体系』と題する著書を出版しました―この著作は、現代化学の誕生を告げるものでした。彼の理論において、ドルトンはデモクリトスの原子論の概念を取り入れました。彼は、原子が物質の最小構成要素であり、それ以上分割することはできず、化学反応において生成されたり破壊されたりすることもないと仮定しました。ドルトンによれば、同一元素のすべての原子は同一でありながら、他の元素の原子とは異なります。化学反応において、原子は結合して化合物を形成したり、互いに分離したり、他の原子に対して再配置されたりします。このモデルによれば原子は分割不可能であり、したがって完全な原子同士のみが反応できるため、ドルトンは、化合物中の元素は常に整数比で存在すると結論づけました。
ドルトンは、その原子論において、今日に至るまで私たちの化学に対する理解にとって極めて重要となる、多くの仮説を立てました。彼の理論における一部の前提は、まだ結論には至っていません。例えば、ドルトンは、ある元素の1個の原子は、別の元素のちょうど1個の原子とのみ反応すると考えていました。彼は、実験的観察がそれを絶対的に必要とする場合にのみ、この仮説から逸脱しました。例えば、そのため彼は水の組成をH-Oであると理論化し、これにより、特に相対原子質量の決定において、後の誤りを引き起こすことになりました。
それでもなお、彼の原子論は化学を確固たる正しい軌道に乗せました。この時点以降、化学における科学的発見ははるかに頻繁になりました。
気体の体積から原子質量・分子質量へ
同じ年、ジョゼフ・ルイ・ゲイ=リュサック(1778~1850年)は、互いに反応する気体とその反応生成物の体積比が常に整数であることを立証しました。例えば、ゲイ=リュサックは、2体積の水素と1体積の酸素が反応して水(H2O)を形成すること、そしてこの気体状の水がさらに2体積を占めることを発見しました。
1811年、アメデオ・アヴォガドロ(1776~1856年)は、対象となる物質にかかわらず、等しい体積の気体は等しい数の粒子を含むという仮説を打ち立てました。しかしながら、アヴォガドロの仮説は、当時はまだ広く受け入れられてはいませんでした。
彼の弟子であったスタニズラオ・カニッツァーロ(1826~1910年)が、その正当性について科学界を説得することに成功したのは、ようやく1860年になってからのことでした。その後、この仮説は「アヴォガドロの法則」として知られるようになりました。これにより、数多くの原子や分子のモル質量を決定することが可能になり、化学における進歩の道が開かれました。
ゲイ=リュサックは、化学における革命だけでなく、彼の若い頃に母国で猛威を振るったフランス革命の目撃者でもありました。裕福な弁護士兼検察官であった彼の父は投獄され、家庭教師は逃亡しました。18世紀後半に最初の体系的な命名法と標準化された化学用語を開発したフランス人化学者アントワーヌ・ローラン・ド・ラヴォアジエ(1743~1794年)は、ギロチンにかけられました。
しかしながらゲイ=リュサックは、革命の機関であるエコール・ポリテクニークへの入学を許可されたことで、この新体制から恩恵を受けました。そこでは、数学者ピエール=シモン・ラプラスをはじめとする、優れた科学者たちが彼の師となりました。
化学産業は化学革命に先立って存在した
ドルトンによる原子論の遅れた発展は、化学産業が19世紀・20世紀になって初めて実を結んだかのような印象を与えるかもしれません。しかしそれとは反対に、化学プロセスは既に18世紀半ばから工業規模で使用されていました。当時、化学に対する理論的理解はさほど進んでいなかったにもかかわらず、錬金術師たちの実験的な発見により、化学物質の製造・分析の両面において数多くの実用的応用が可能になっていました。とはいえ、こうした基礎知識の不足のため、特に産業向けのプロセスの体系的な開発・最適化は不可能でした。その結果、18世紀の化学工場は、私たちが知る現代の工場というよりも、むしろ拡大された実験室に似たものでした。
工業規模で最初に適用された化学プロセスは、硫酸製造のための鉛室法でした。このプロセスは中世から知られており、1746年以降イギリスで大規模に適用されていました。18世紀後半以降のもう一つの重要なプロセスが、ソーダ灰(炭酸ナトリウム)製造のためのルブラン法であり、これは繊維産業においてリネンの漂白に必要とされ、また石鹸、ガラス、製紙産業でも使用されていました。ニコラ・ルブラン(1742~1806年)は、天然ソーダの高価な輸入への依存から脱却するためこのようなプロセスを見つけ出そうと躍起になっていたフランス科学アカデミー主催のコンペにおいて、1791年にこのプロセスを開発しました。ルブラン法は、1880年にソルベー法が大量生産可能となるまで、炭酸ナトリウム製造のための選択方法であり続けました。しかしながら、ルブランは自身の賞金を一度も受け取ることができませんでした。それが支払われるはずだった時、国はまさに革命の最中にあり、アカデミーはフランス国民公会によって廃止されてしまったのです。
ソーダと硫酸は、現在でも化学産業における最も重要な製品の一部であり続けています。
拡大しつつあった化学産業における分析
ソーダと硫酸に加え、18世紀の化学産業における最も重要な製品には、塩素製造用の塩酸と塩素水がありました。これらの製品はすべて、他の産業によって必要とされていました。例えば、ソーダの用途の一つは石鹸製造であり、塩素は繊維の漂白に使用されていました。加工産業においては化学物質の純度が極めて重要であったため、これらの産業はまもなく品質管理のための方法を開発しました。原材料の迅速な定性試験を可能にするため、容量法が開発されました:決定対象の物質と反応することが知られている試薬を、その化学物質に加えます。反応の終点は、適切な方法を用いて可視化されます。最終段階では、消費された試薬の量が決定されます。経験的に確認された量の試薬が消費されていれば、その化学物質は適合しているとみなされました。しかしながら、この滴定の原始的な前身では、定量的な決定はまだ不可能でした。
18世紀末までに、酸塩基滴定、沈殿滴定、および酸化還元滴定が文献に記述されました。19世紀初頭、しばしば滴定の発明者とみなされているジョゼフ・ルイ・ゲイ=リュサックは、新しい容量分析法を開発し、滴定をより簡便で、より迅速、そしてより精密なものにしました。滴定の分野で達成された発展は、ほぼ例外なくフランスで生まれました。フランスでは、革命後、大多数の科学者が国家に雇用され、国家にとって重要な産業上の問題を解決する任務を課されていました。フランスが示したような科学と産業の融合は、まもなくヨーロッパの他の地域全体にも広がっていくことになります。
現代化学への急速な発展は、19世紀に入っても続きました:有機化学が誕生し、化学にとって、単なる模倣にとどまらず、例えば医薬品や肥料の使用による、自然の直接的な操作への扉を開いたのです。
これについて、そしてさらに詳しくは、本シリーズの第3部・第4部でご紹介します。以下のリンクをクリックして、次の記事へ直接お進みください!
