【化学基礎】原子量・分子量・式量の計算問題

大学入試「化学」基礎知識を復習していきましょう。今回のテーマは原子量や分子量、式量の計算問題です。センター試験では第1問に登場する、化学の計算の基本中の基本です。ここが解けないと、あとの計算もできませんのでしっかりと確認しておきましょう。

原子量

原子1個の質量は非常に小さく、実験や計算で使うには非常に面倒です。炭素原子を例にとってみると、原子1個の質量は1.99×10^-23gととてつもない軽さになります。したがって、化学の計算では相対質量という考え方を使います。

本当の質量ではなく、相対的な、何かと比較した質量を使うことになります。相対質量を使うためには何か基準が必要です。国際ルールでは質量数が12の¹²Cを基準とし、¹²C1個の質量を12とするように定めています。

炭素原子¹²Cの質量を12と決め、それを基準に相対的に各原子の質量を求めることになります。水素原子Hなら1、アルミニウム原子Alなら27という風になります。

この相対質量ですが、原子の質量数とほぼ同じになります。炭素¹²Cの質量数は、陽子数6＋中性子数6＝質量数12となります。この相対質量が各原子の原子量になるのです。ただし、同位体が存在しない場合は、相対質量がそのまま原子量になるのに対して、同位体が存在する原子の場合は、同位体の相対質量の平均値を原子量として使います。

同位体が存在する原子の原子量

銅原子Cuには2種類の同位体、⁶³Cu、⁶⁵Cuが存在します。天然存在比は⁶³Cuが69％、⁶⁵Cuが31％です。同位体が存在するCu原子の原子量は、相対質量の平均値ですので、

63 × 69/100 + 65 × 31/100 ≒ 63.5

と求めることができます。同位体が存在する原子の原子量を求めさせるパターンの問題には、次の2つのパターンがありますので、両方に挑戦してみてください。

原子量を求めるパターン

炭素原子の２つの同位体¹²C（相対質量＝12.0）、¹³C（相対質量＝13.0）の天然存在比が、 それぞれ98.9%、1.1%であるとき、炭素の原子量を求めよ。

12 × 98.9/100 + 13 × 1.1/100
= 12 × 98.9/100 + (12 + 1) × 1.1/100
= 12 × 98.9/100 + 12 × 1.1/100 + 1 × 1.1/100
= 12 × (98.9/100 + 1.1/100) + 1 × 1.1/100
= 12 + 0.011
= 12.011

天然存在比を求めるパターン

塩素原子の原子量が35.5のとき、塩素原子の２つの同位体³⁵Cl（相対質量＝35.0）³⁷Cl（相対質量＝37.0）の天然存在比をそれぞれ求めよ。

³⁵Clの天然存在比をX％とすると、
35 × X/100 + 37 × (100-X)/100 = 35.5
35 × X + 37 × (100-X) = 3550
X = 75 
³⁵Clの天然存在比75％、³⁷Clの天然存在比25％

分子量・式量

物質は分子を作っている物質と分子を作らない物質があります。分子を作っている物質は分子式で物質を表し、分子を作らない物質は組成式で物資を書き表しましたよね。相対質量も同じで、分子からできてる物質は分子量、分子からできていない物質は式量を使います。

計算方法はいたって簡単で、構成している原子の原子量の合計を使って計算します。

分子量の求め方

H₂Oの分子量：水素の原子量1 × 2個 ＋ 酸素の原子量16 ＝ 18

CO₂の分子量：炭素の原子量12 ＋ 酸素の原子量16 × 2個 ＝44

式量の求め方

Naの式量：ナトリウムの原子量23＝Naの式量23

NaClの式量：ナトリウムの原子量23 ＋ 塩素の原子量35.5 ＝ 58.5

この際、各原子量は問題文中に提示されますので、覚える必要はありませんが、問題を解くにあたって覚えていた方が断然計算が早くなりますので、よく出てくる原子の原子量は覚えておく方が有利になります。

原子量・分子量・式量の練習問題

解答63×70/100 + 65×30/100　= 63.6