密度・比重と気体の法則をわかりやすく解説！蒸気比重の計算とボイル・シャルルの法則

結論から言います

密度は「1cm³あたり何グラムか」、比重は「水（または空気）と比べて何倍重いか」です。似ているけど単位の有無が違います。

そして気体には3つの法則があります。ボイルの法則（温度一定なら圧力と体積は反比例）、シャルルの法則（圧力一定なら体積は絶対温度に比例）、ボイル・シャルルの法則（両方を組み合わせたもの）。

この記事では、密度・比重の違いから蒸気比重の計算方法、ボイル・シャルルの法則まで、試験に出るポイントをまとめて解説します。

密度って何？ ― 1cm³あたりの「重さ」

密度（みつど）とは、物質の「ぎゅっと詰まり具合」を数値化したものです。

計算式はシンプル。

たとえば、1cm³の鉄は約7.87g、1cm³の水は1g。鉄のほうがギュッと詰まっている ―― つまり密度が大きいということです。

身近な例で言うと、同じ大きさの発泡スチロールと鉄球を持ち比べたとき「鉄のほうがずっしり重い」と感じますよね。あの感覚が密度の違いそのものです。

危険物試験で出る密度のポイント

• 水の密度 = 1 g/cm³（4℃のとき）―― これが基準になる
• ガソリンの密度は約0.65〜0.75 g/cm³ → 水より軽い → 水に浮く
• 二硫化炭素の密度は約1.26 g/cm³ → 水より重い → 水に沈む

第4類危険物（引火性液体）の多くは水より軽いのですが、二硫化炭素・グリセリン・ニトロベンゼン・クロロベンゼン・酢酸・エチレングリコールなどは水より重い ―― これは試験の定番ひっかけポイントです。詳しくは「第4類危険物の共通性質」で解説しています。

比重って何？ ― 水と比べた「重さの比率」

比重（ひじゅう）とは、ある物質が基準の物質と比べて何倍重いかを表す数値です。

密度と比重の最大の違いは「単位があるかないか」です。

ちょっと待って、数値が同じじゃない？ ―― そうなんです。水の密度が1 g/cm³なので、g/cm³の密度の数値と比重の数値は実質イコールになります。試験では「比重が1より大きい → 水より重い → 沈む」「比重が1より小さい → 水より軽い → 浮く」を判断できればOKです。

蒸気比重 ― 第4類の蒸気が低いところにたまる理由

ここからが危険物試験のメインテーマ。蒸気比重とは、その気体が空気と比べて何倍重いかを表す数値です。

主な物質の蒸気比重

全部1より大きいですよね。実は、第4類危険物の蒸気はすべて空気より重い（蒸気比重 > 1）んです。

空気より重い蒸気は低いところに流れてたまります。ガソリンをこぼしたとき、目に見えない蒸気が床に沿って広がり、離れた場所の火花で引火する ―― これが引火性液体の怖さです。だからガソリンスタンドや工場では低所の換気が重要になるんですね。

蒸気比重の計算は「引火点・発火点・燃焼範囲の違いをわかりやすく解説」でも扱っています。

ボイルの法則 ― 温度一定なら「圧力×体積」は一定

ここからは気体の法則です。まずはボイルの法則（1662年）。

注射器をイメージしてください。口を指でふさいで、ピストンを押し込むと中の空気はギュッと縮みますよね。体積が半分になれば、中の圧力は2倍になる ―― これがボイルの法則です。

逆に、体積を2倍に広げれば圧力は半分。圧力と体積はシーソーの関係（反比例）なんです。

計算例

温度一定で、1気圧・6Lの気体を2Lに圧縮したら圧力は？

P₁V₁ = P₂V₂ → 1 × 6 = P₂ × 2 → P₂ = 3気圧

体積が1/3になったから、圧力は3倍。シンプルですね。

シャルルの法則 ― 圧力一定なら体積は絶対温度に比例

次はシャルルの法則（1787年）。

温度を上げると気体は膨張する ―― これは直感的にわかりますよね。暑い日に車のタイヤがパンパンになったり、ペットボトルを温めると膨らんだり（温度と体積の関係は「熱の性質」でも扱っています）。シャルルの法則はそれを数式にしたものです。

絶対温度とは？

ここで注意。シャルルの法則では絶対温度（ケルビン: K）を使います。

なぜ℃ではなくKを使うのか？ ―― 0℃の気体を2倍の温度にしたとき「0×2 = 0」になってしまったら計算が成り立たないからです。絶対温度は分子の運動が完全に停止する-273℃を0とする温度（物質の状態変化と温度の関係は「物質の三態変化」で詳しく解説しています）なので、比例計算がちゃんとできます。

計算例

圧力一定で、27℃で3Lの気体を127℃にしたら体積は？

まず絶対温度に変換：T₁ = 27 + 273 = 300K、T₂ = 127 + 273 = 400K

V₁/T₁ = V₂/T₂ → 3/300 = V₂/400 → V₂ = 4L

温度が300K→400K（4/3倍）になったから、体積も4/3倍。℃のまま計算すると答えが狂うので、必ずKに変換するのを忘れないでください。

ボイル・シャルルの法則 ― 2つを合わせた万能公式

ボイルとシャルルを1つにまとめたのがボイル・シャルルの法則です。

試験では、ボイルかシャルルのどちらかだけで解ける問題が多いですが、3つの変数が同時に変わる問題が出たらこの公式を使います。

計算例

27℃・2気圧で3Lの気体を、327℃・1気圧にしたら体積は？

T₁ = 300K、T₂ = 600K

P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ → (2×3)/300 = (1×V₂)/600 → V₂ = 12L

温度が2倍＋圧力が半分 → 体積は2×2 = 4倍になったわけです。

3つの法則を整理しよう

まとめ問題

理解度をチェックしましょう。全5問です。

【問題1】密度と比重の違い

密度と比重について、正しいものはどれか。

1. 密度と比重は同じ意味で、どちらも単位がある
2. 比重は水を基準とした比率であり、単位はない
3. 気体の比重の基準物質は窒素である
4. 比重が1より大きい液体は、水に浮く

【問題2】蒸気比重の計算

分子量58の物質の蒸気比重として、最も近い値はどれか。

1. 0.5
2. 1.0
3. 2.0
4. 5.8

【問題3】ボイルの法則

温度一定で、4気圧・5Lの気体を10Lにした。このとき圧力はいくらか。

1. 1気圧
2. 2気圧
3. 8気圧
4. 20気圧

【問題4】シャルルの法則

圧力一定で、27℃で6Lの気体がある。この気体を327℃にしたとき、体積はいくらか。

1. 12L
2. 72L
3. 2L
4. 6L

【問題5】蒸気比重と危険性

蒸気比重について、誤っているものはどれか。

1. 蒸気比重が1より大きい蒸気は、空気より重く低所にたまりやすい
2. 蒸気比重は、物質の分子量を空気の平均分子量（約29）で割って求められる
3. 第4類危険物の蒸気は、すべて蒸気比重が1より大きい
4. 蒸気比重が大きい蒸気は、高所にたまりやすく上方の換気が重要である

【問題6】複合問題 ― 蒸気比重とボイル・シャルルの法則

分子量78の引火性液体の蒸気について、次の記述のうち誤っているものはどれか。

1. この蒸気の蒸気比重は約2.7であり、空気より重い
2. この蒸気は低所に滞留しやすいため、低所の換気が重要である
3. 温度一定で、この蒸気の体積を1/3にすると、圧力は3倍になる
4. 圧力一定で、この蒸気を27℃から54℃にすると、体積は2倍になる