定期テスト・入試前に10分で完璧化学基礎!~mol計算編~

豊田校・

豊田市周辺にお住まいの皆様、および武田塾生の皆様こんにちは!
逆転合格専門の予備校・個別指導塾の武田塾豊田校です!

定期テストや入試の前に化学基礎を10分で完璧に復習できるシリーズ。
今回はmol計算編です!
この分野は化学基礎の中でも基礎中の基礎。
mol計算ができなければ、その後の中和も酸化還元も出来ません。
ポイントを抑えてしっかり復習していきましょう!

 

目次

原子の相対質量

原子量

分子量・式量

物質量

物質量と質量

物質量と気体

気体の体積の応用例

溶液の濃度

 

 

 

原子の相対質量

いきなりですが問題です。
「炭素原子1個の質量は何 g でしょうか」

 

 

 

 

答えは約 2 × 10-23 g です。

さて、この重さを想像できますか?
絶対に無理だと思います。
こんなに軽い質量を考えるのは難しいので、化学では「質量数12の炭素原子12C 1個の質量を12と決めて、他の原子の相対質量を計算する」と設定しました。
12Cの質量を12と決めてしまえば、どの原子も重さの想像がしやすくなりますよね。

 

例えば、炭素原子12C 1個の質量は1.9926 × 10-23 g、水素原子1H 1個の質量は1.6735 × 10-24 g を用いて1Hの相対質量を求めると、

12:1Hの相対質量 = 1.9926 × 10-23 g:1.6735 × 10-24 g より、
1Hの相対質量 = 12 ×(1.6735 × 10-24)/(1.9926 × 10-23)
        = 1.0078

と計算できます。

 

 

原子量

原子量とは、それぞれの原子の相対質量のことです。
ただし、原子には同位体があり、同位体によって質量が変わるため、原子量を求めるためには同位体を考慮する必要があります。
それぞれの同位体が存在する比率(存在比)は一定なので原子量の計算ができます。

例えば、炭素には12Cと13Cの同位体が存在し、12Cの相対質量は12で存在比は98.93%、13Cの相対質量は13.003で存在比は1.07%です。
したがって、炭素の原子量は、

炭素の原子量 = 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107
       = 12.01

と計算できます。

つまり、自然界に存在する炭素は12Cと13Cが混在するが、炭素の原子量はおしなべて12.01とみなして計算します。
炭素の相対質量を一律12.01と考える、ということです。

 

 

分子量・式量

分子量は分子に含まれる元素の原子量の総和のことです。
分子式に含まれる原子の原子量を足しましょう。
分子の相対質量とも言えます。

例えば、H2Oの分子量はHの原子量2個分とOの原子量1個分の和になるので、
H2Oの分子量 = 1.0 × 2 + 16 × 1
H2Oの分子量 = 18

と計算できます。

 

式量はイオン式や組成式に含まれる原子の原子量を足すことで求めることができます。

例えば、NaClの式量はNa+とCl-の原子量の和なので、
NaClの式量 = 23 × 1 + 35.5 × 1
NaClの式量 = 58.5

と計算できます。

 

分子量も式量も名前が異なるだけで、同じ計算をします。

 

 

物質量

みなさんに質問です。
「原子や分子が目に見えますか」

 

もちろん「いいえ」でしょう。

 

「コップの水200 mL に何粒の水分子が含まれるか数えられますか」

絶対に「いいえ」ですね。

 

このように、原子や分子はとても小さく目に見えません。
つまり、身のまわりの物質に含まれる分子数は膨大になり、考えにくいです。

そこで、化学では、粒子(原子や分子、イオン)6.02 × 1023個を1グループにして1 mol と決めます。
つまり、水分子1 mol といえば、6.02 × 1023個の水分子のことを指します。

また、6.02 × 1023の数字をアボガドロ数と言います。
ややこしいですが、単位molあたりの粒子数、6.02 × 1023 /mol をアボガドロ定数と言います。

 

物質量は個数を表す と捉えましょう!
物質量で考えると"イイコト"がありますが、それは下の章で紹介します。

 

 

物質量と質量

物質量と質量の関係を説明します。
物質量の"イイコト"のその1です。

ある物質を1 mol だけ集めたときの質量は、その原子量・分子量・式量 g と同じになります。
1 mol あたりの質量をモル質量 g/mol といい、原子量・分子量・式量に単位の g/mol をつけた値になります。

物質量 mol = (質量 g)/(モル質量 g/mol)

の関係が成り立ちます。

例えば、水分子を1mol、すなわち、水分子を6.02 × 1023個集めたときの質量は18 g になります。
水分子の分子量が18なので、1 molの質量が18 g です。
つまり、水分子のモル質量は18 g/mol です。

では、水分子を2mol 集めると何 g でしょうか?
答えは36 g です。
18 g/mol × 2 mol = 36 gですね。
単位の計算をすれば簡単に分かります。

 

問題
「塩化ナトリウムNaClの粒子1.204 × 1024個集めたときの質量は何 g ですか。」

解説
質量を求めるのに物質量が必要です。
物質量は個数のことなので、まずは個数から物質量を計算しましょう!

(1.204 × 1024)/(6.02 × 1023) = 2.0 mol

物質量が分かったので質量を求めましょう。
塩化ナトリウムの式量は58.5なのでモル質量58.5 g/mol です。
2.0 × 58.5 = 117 g

ポイントは、個数とmolが繋がっていることと、molと質量が繋がっていることです。

 

 

物質量と気体

物質量と気体の体積の関係を説明します。
物質量の"イイコト"のその2です。

まずは気体の体積と分子数の関係を見ていきましょう。
同温・同圧のもとで同じ体積の気体には、気体の種類によらず、同じ数の分子が含まれている
例えば、酸素1 L も窒素1 L も中に含まれる分子数は一緒です。

この法則を考えてみると、気体の分子数が同じなら気体の体積は一緒になります。
すなわち、酸素1 mol、窒素 1 mol の体積は一緒になります。
そして、0℃、1.013 × 105 Pa のとき、気体1 mol の体積は22.4 L になります。
物質1 mol あたりの気体の体積をモル体積 L/mol と言います。
また、0℃、1.013 × 105 Pa の条件を標準状態と言います。
標準状態ではモル質量は22.4 L/mol になります。

物質量 mol = (気体の体積 L)/(22.4 L/mol)

の関係です。

これは分子の種類に限らず成り立つので、酸素 0.5 mol と窒素0.5 mol を混ぜたときの体積は22.4 L になります。
気体ならなんでも適用できる便利な公式です。

物質量と気体の体積が繋がりましたね。

 

 

気体の体積の応用例

物質量を応用することで、気体の密度を求めることができます。
密度とは、単位体積あたりの物質の質量のことです。

気体の密度 g/L = (モル質量 g/mol) / (22.4 L/mol)

の関係が成り立ちます。

単位に着目しましょう。
分母分子で /mol が消えて、g/L が残ります。
単位で覚えるほうが分かりやすいですね。

意味で考えましょう。
気体の物質は1 mol で22.4 L です。
このとき、1 mol の質量はモル質量と同じになります。
密度の定義から、モル質量を22.4で割ることで、単位体積あたりの質量が求まります。

単位からでも、意味からでも分かりやすいほうで覚えましょう。

 

空気1 mol のモル質量を考えてみましょう。
空気は窒素と酸素が約4:1で構成されます。
窒素の分子量は28、酸素の分子量は32なので、空気の見かけの分子量(モル質量)は、

28 × 4/5 + 32 × 1/5 = 28.8 g/mol

になります。

化学基礎の問題として出題されることもあります。
空気のモル質量が28.8 g/mol は出来れば覚えましょう!
気体物質が空気より重いかの判定に役立ちます。
例えば、アンモニア(NH3)は、分子量が17で空気よりも軽いですね。
また、アンモニアは水に可溶なので、アンモニアの集気法は上方置換であることが分かります。

 

 

溶液の濃度

溶液にどれだけ溶質が解けているかを示す、濃度には主に2種類あります。

 

溶液の質量に対する溶質の質量の割合を質量パーセント濃度といい、%で表します

質量パーセント濃度% = 100 × (溶質の質量 g) / (溶液の質量 g)

中学理科でも勉強したと思うので、例題はカットします。

 

溶液1 L 当たりに解けている溶質の物質量で表す濃度を、モル濃度 mol/L と言い、

モル濃度 mol/L = (溶質の物質量 mol) / (溶液の体積 L)

で計算ができます。
モル濃度は本当によく使うため、必ず理解するようにしましょう。

例題
「水酸化ナトリウム2.0 g に水を加えて200 mL の水溶液をつくった。このときの水酸化ナトリウム水溶液のモル濃度を求めよ」

解説
モル濃度の計算には、溶液の体積溶質の物質量が必要です。
溶液の体積は200 mL と分かっているので、溶質の物質量を計算しましょう。

水酸化ナトリウムのモル質量(分子量)は40 g/mol です。
したがって、溶質の物質量は、

(2.0 g) / (40 g/mol) = 0.05 mol

になります。
したがって、水酸化ナトリウム水溶液のモル濃度は、

(0.05 mol) / (0.2 L) = 0.25 mol/L

と計算できますね。
溶液の体積が L であることに注意しましょう。 

 

 

 

武田塾豊田校では、無料受験相談を毎日受け付けております。
目標の立て方はもちろん、勉強の仕方、志望校の決め方等些細なことでも構いませんので、

また、電話で0565-41-8558(日除く昼1時から夜10時まで)までご連絡ください!
武田塾豊田校は、自学自習を身につけていき、進化を遂げる君たちを徹底的にサポートしていきます❕
武田塾豊田校の全く新しい環境で君も目指す姿に進化しよう!
もちろん、相談会に参加されたとしても、入塾の強制、勧誘等は一切ございませんのでご安心ください。

 

お問い合わせはこちらまで
武田塾豊田校
〒471-0025
愛知県豊田市西町4丁目25-13
フジカケ鐵鋼ビル3階
TEL:0565-41-8558
担当:石原(13:00~22:00 日曜は除く)

ページトップへ戻る

関連記事

中和滴定

豊田市周辺にお住まいの皆様、および武田塾生の皆様こんにちは!逆転合格専門の予備校・個別指導塾の武田塾豊田校です! 定期テストや入試の前に化学基礎を10分で完璧に復習できるシリーズ。今回は中和反応編です…