質量保存の法則とは
質量保存の法則とは、化学反応前後で質量が変わらないことです。化学反応式を書くと分かりますが、式の左辺と右辺は原子の数を数えてみると、同じ数になることからも理解することができます。
炭酸水素ナトリウムと塩酸を反応させた化学反応式から詳しく見てみましょう。
NaHCO3 ＋ HCl → NaCl ＋ H2O ＋ CO2
※ NaHCO3 …炭酸水素ナトリウム HCl…塩酸 NaCl…塩化ナトリウム H2O…水 CO2…二酸化炭素
この式は、炭酸水素ナトリウムと塩酸を反応させると、塩化ナトリウムと水と二酸化炭素の３つ物質が発生することを表した式です。
この化学反応式は複雑に見えますが、よく見ると左辺と右辺の原子の組み合わせが変わっただけであることが分かります。それで左右で数が同じなか、原子の数を数えて下の表にまとめてみました。
| 反応前（左辺）の数 | 反応後（右辺）の数 | |
| ナトリウム原子 | 1 | 1 |
| 水素原子 | 2 | 2 |
| 炭素原子 | 1 | 1 |
| 酸素原子 | 3 | 3 |
| 塩素原子 | 1 | 1 |
このように、化学反応の前後で原子の数は変化していません。これが質量保存で、この物理法則を質量保存の法則といいます。
ところが、次のような結果になることもあります。上記の同じ化学反応なのに、質量が小さくなることがあるのです。
質量保存の法則が成り立つはずなのに、なぜ質量は小さくなるのか？
それでは、このことを考えてみましょう。
炭酸水素ナトリウムについて詳しく知りたい人は以下の記事をご覧ください。
なぜ質量は小さくなるのか？
この実験は、次のイラストのように密閉した容器の中で炭酸水素ナトリウム（白いかけら）と塩酸（容器の中にある試験管）がある状態で、容器全体をかたむけて容器の中で混ぜて反応させます。
その結果、化学反応式からも分かるように、塩化ナトリウムと水と二酸化炭素が発生します。そうすると質量はどうなるのでしょうか？
左のイラストにあるように、発生した物質が逃げないようにふたなどをして密閉させて閉じた空間にすると、反応前後の質量は変わりません。
しかし、最初からふたをしなかったり、反応後にふたを開けたりすると、反応後の質量は小さくなってしまいます。
なぜふたが無い状態だと質量が小さくなってしまうのかな?
それは、反応後の物質に二酸化炭素が含まれているからです。反応後に発生した二酸化炭素は気体なので、容器の外に逃げていってしまいます。
気体とは、原子や分子が自由に飛び回っている物質の状態です。ふたがあると、その中で動き回るだけですが、ふたが無いと、そのすきまから飛び出ていってしまいます。
では、発生した二酸化炭素が逃げていく理由をもう少し詳しく見てみましょう。
なぜ発生した物質が逃げていくのか？
なぜ発生した二酸化炭素は、外に逃げていくのでしょうか？ 仮にふたが無くても、その中で動き回ることもできます。しかし、そうなならないで外に出ていきます。
それは気体が体積が大きいからです。
この化学反応式をもう一回見てみましょう。
NaHCO3 ＋ HCl → NaCl ＋ H2O ＋ CO2
この式を見ても分かるように、発生前は固体（炭酸水素ナトリウム）と液体（塩酸）だったものが、反応後は塩化ナトリウム（固体）と水（液体）と二酸化炭素（気体）になっています。
以前学習したと思いますが、気体は固体・液体よりも体積の方がはるかに大きくなります。
同じ質量の体積の違い 気体 ＞ 液体 ＞ 固体
そのため、もしふたをしたまま実験をすると、その容器内では気圧が大変大きくなってしまっています。いわば容器内がパンパンの状態になっているのです。中で発生した気体は狭くて苦しいので出たくて出たくて仕方ありません。
そんなとき、ふたを開けると、容器の中であらかじめ空気と混ざっていた二酸化炭素は外に一気に出ていくのです。そのため、出ていった分だけ質量は小さくなります。
朝のラッシュアワーを想像してください。定員オーバーした満員電車の中は人で一杯の状態ですが、駅に着いてドアが開いた瞬間に、電車の中から人がどっと外にあふれ出てきます。
質量保存の法則 まとめ
質量保存の法則とは、冒頭で説明したように化学反応前後で質量が変わらないことですが、より正確に説明しますと、閉じた空間において、質量保存の法則が成り立つということでした。
閉じた空間であれば、原子が外に出て行ったり、外から入って来たりすることがありません。また、原子が現れたり消えたりすることもありません。
このことから、化学反応においては、質量保存の法則はたしかに成り立っていますが、実験の仕方によっては、質量が小さくなったように見えることもあるのです。
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