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発展的な内容です。（教科書内容を超える）

 

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。

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

①化学反応式を書く

②モデル図になおす

③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

2H₂ ＋ O₂ → 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。

 

 

 

 

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 ＋ 3O₂ → 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。

 

 

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 ＋ H₂ → 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。

 

CH₄ ＋ 2O₂ → CO₂ ＋ 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。)

 

 

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。