中2化学【原子1個の質量】

このページでは「原子1個の質量」に関する問題の考え方を解説しています。

中学校ではあまり学習しない内容です。

そのため、発展的な内容を含みます。

 

化学反応式について・・・・→【化学反応式】←

質量保存の法則について・・→【質量保存の法則】←

定比例の法則について・・・→【定比例の法則(酸化)】←

を理解しておきましょう。

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1.原子1個の質量を考える問題

原子●個や分子●個あたり、を考える問題は

化学反応式を書く

モデル図になおす

質量を考える

という手順で考えましょう。

 

 

 

(例1)水素の燃焼

例えば ”水素が燃焼して水になる” という反応についてみてみましょう。

水素8gを完全に燃焼させると水72gが生じます。

この数値から水素原子1個の質量と酸素原子1個の質量の比を考えましょう。

 

 

 

このときこの反応を化学反応式で表すと

 

2H+ O→ 2H2O

 

です。

 

 

 

これをモデル図に表しましょう。(↓の図)

 

 

 

モデル図に「水素8g・水72g」の情報を追加しましょう。(↓の図)

 

 

今のままでは、反応した酸素がわかりません。

ここで質量保存の法則を利用します。

 

質量保存の法則とは・・・

化学変化の前後で質量の総和は変わらない。

 

 

 

反応した酸素は64gであるとわかります。(↓の図)

 

 

では、ここで水素原子1個の質量と酸素原子1個の質量を考えましょう。

このモデル図と質量を見てみます。

 

 

 

まずは水素から。

左辺には水素原子が4つあります。

水素原子が4つで8gと考えます。(↓の図)

つまり水素原子1個で2gです。

 

 

 

 

今度は酸素に目を移しましょう。

左辺には酸素原子が2つあります。

酸素原子が2つで64gと考えます。(↓の図)

つまり酸素原子1個で32gです。

 

 

 

よって

$$水素原子1個:酸素原子1個=2:32=1:16$$

となります。

 

 

 

 

(例2)アルミニウムの酸化

つづいてはアルミニウムAlが酸化して酸化アルミニウムAl2O3になる反応を考えます。

アルミニウム9gを完全に酸化すると酸化アルミニウムが17g生じます。

 

 

このとき、この反応を化学反応式で表すと

 

4Al + 3O→ 2Al2O3

 

です。

 

 

 

これをモデル図に表しましょう。(↓の図)

 

 

 

モデル図に「アルミニウム9g・酸化アルミニウム17g」の情報を追加します。(↓の図)

 

 

 

先ほどと同じく質量保存の法則を利用して、反応した酸素を求めておきましょう。

反応した酸素は8gであるとわかります。(↓の図)

 

 

 

では、ここでアルミニウム原子1個の質量と酸素原子1個の質量を考えましょう。

このモデル図と質量を見てみます。

 

 

 

まずアルミニウムに注目です。

左辺にはアルミニウム原子が4個あります。

アルミニウム原子4個で9gと考えます。(↓の図)

 

つまりアルミニウム原子1個の質量は

$$\frac{9}{4}g$$

となります。

 

 

 

同様に酸素に注目。

左辺には酸素原子が6個あるので、酸素原子6個で8gと考えます。(↓の図)

 

よって酸素原子1個の質量は

$$\frac{8}{6}g=\frac{4}{3}g$$

となります。

 

 

したがって

$$アルミニウム原子1個:酸素原子1個=\frac{9}{4}:\frac{4}{3}=27:16$$

となります。

 

POINT!!

原子1個の質量の比を求める問題では・・・

① 化学反応式を書く。

② モデル図になおす。

③ 質量を書き込む。

→ 原子1個の質量を求めていく。

 

2.反応する質量比を考える問題

原子1個あたりにも質量があり、もちろん現実に測定されています。

同じ種類の原子は同じ質量をもち、その種類ごとに質量は異なります。

例えば炭素原子の質量は、1.9944235 × 10-23(g)です。(めちゃめちゃ軽い)

 

 

 

こんな数字を使って計算はやりにくいので、先ほどのような原子1個の質量比を利用します。

 

 

 

例えば銅原子・酸素原子・炭素原子・水素原子の1個あたりの質量比は

$$銅原子:酸素原子:炭素原子:水素原子=64:16:12:1$$

です。

 

 

 

これを利用すれば、どのような比で物質が反応するかもわかります。

 

 

 

例えば酸化銅の水素による還元。

 

 

 

化学反応式で書くと

 

CuO + H→ Cu + H2O

 

です。

 

 

 

これをモデル図に書き換えましょう。(↓の図)

 

 

ここで先ほどの比を利用して

銅原子1個を64g・酸素原子1個を16g・炭素原子1個を12g・水素原子1個を1g

と仮に考えます。

 

 

 

これをモデル図に書き込みましょう。(↓の図)

 

 

 

その質量を物質ごとに足してみます。

 

 

例えばCuOは

Cu・・・64g  O・・・16g

なので

CuO・・・80g

と表せます。

 

 

 

ほかの物質も同様に計算すると↓のようになります。

 

 

よって

CuO:H2:Cu:H2O=80:2:64:18

の比で反応することになります。

(もちろん質量保存の法則も成り立っていますね。)

 

 

 

このように比が求まれば計算ができるようになります。

 

 

 

「16gの酸化銅を還元するのに必要な水素は?」

と聞かれても、

求める水素をx(g)として

 

$$80:2=16:x$$
$$x=0.4$$

 

となり0.4gと求められます。

 

 

(例3)メタンの燃焼

では次の反応で表される「メタンの燃焼」の質量比を考えてみましょう。

 

CH+ 2O→ CO+ 2H2O

 

※CH4がメタンを表す化学式です。

 

 

 

これをモデル図に直します。(↓の図)

 

 

 

先ほどの比を利用して

銅原子1個を64g・酸素原子1個を16g・炭素原子1個を12g・水素原子1個を1g

と仮に考えます。

 

 

これをモデル図に書き込みましょう。(↓の図)

 

 

 

その質量を物質ごとに足してみます。(↓の図)

 

 

 

 

よって

CH4:O2:CO2:H2O=16:64:44:36

の比で反応することになります。

(質量保存の法則が成り立っていることも確認しておきましょう。)

 

POINT!!

原子1個の質量比を利用すれば、化学変化における反応の質量比もわかる。

① 化学反応式を書く

② モデル図に直す

③ モデル1つ1つに原子1個の質量を書き込む

→ 反応する物質の質量を求めていく。

 

3.原子量

先述の通り、原子1個の質量は測定されています。

原子1個の質量は非常に小さいので、化学では炭素原子1個の質量を12として、ほかの原子の質

量を表しています。(相対質量という)

 

 

 

この炭素原子を基準とした相対質量を原子量といいます。

余裕があれば覚えてしまってもよいかもしれません。

 

 

 

≪主な原子量≫

C原子1個の質量を12としたとき

H:1  N:14  O:16  Na:23  Mg:24  Al:27  Cl:35.5  Cu:64

※実際には少し誤差があるので過信は禁物。大学入試では必ず与えられる。

 

 

POINT!!

原子1個の質量に関する問題では

・化学反応式を書く

・モデル図に直す

・モデル図に質量あてはめながら考える

の3ステップで考えよう。

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小中高生に数・理を教えている関西の丑年塾講師。
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