中2化学【原子1個の質量】


このページは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
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。


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。

よって
$$アルミニウム原子1個:酸素原子1個=\frac{9}{4}:\frac{4}{3}=27:16$$
となります。

2.反応する質量比を考える問題

先ほどの通り、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。


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。)

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。

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