DVIOUT-気体と溶

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1 有効数字の考え方 ( 改訂 2.5) 数値計算の結果は不確実な値を含む有効数字 2 桁なら 有効数字の意味理科では数学と違い, 有効数字というルールがある 有効数字をいい 加減に扱っていると入試で少しずつ減点され, 泣くことになる場合があ る 図のようにメスシリンダーで液体の体積を測るとき, 体積 v を読み 取ると 7.3ml < v < 7.4ml であることがわかる さらに最小目盛りの 1/10 まで読むと,7.37 くらいである 7.36 や 7.38 でもいいが,7.31 で はないし, ましてや と断定もできない しかし 7.37 までは信頼 できるので, 有効数字は 3 桁となる また, デジタル目盛を使った場合でも同じである 図のはにわの質量 は 9.81g と表示されているが,9.805~9.814 の枠内である 9.81 は有効数字 3 桁である 実際問題の答え方有効数字は意味を知っておく必要もあるが, どちらかというと理屈よりも問題の答え方に 神経を尖らせてほしい 計算結果が整数値で求まったときや割り切れたとき, また深い小数 になったときはつい忘れがちなので注意したい 以下に 2 桁の例を挙げる = = とし とし で始まる場合の桁数のカウント方法には気をつけてもらいたい 100 を超えるときや 0.1 未満のときは極力 a 10 n (n は整数 ) のような表記をする ちなみに 1 a < 10 であり, のような表記はしない あくまで とする 途中計算 を有効数字 2 桁で答える場合, 皆さんならどう処理され るだろうか? これをくそ真面目にやると だが,2 桁で答えるときは = のように,3 桁に削って計算すればよい そして = = 削りながら計算した値もくそ真面目に求めた値もどちらも 3 桁 目を四捨五入すると となる このように,2 桁で答 えるときは 1 桁多めにとって計算するだけで十分である 気をつけてもらいたいのが,2 桁で答える問題は途中は 2 桁に してはいけないことである この方法では誤差が大きくなって しまう 必ず 1 桁多くとるか, もしくは分数のまま計算したい また, 有効数字何桁で答えるかは常日頃から計算結果が出た後には問題文を読み直す習慣を つけてほしい 有効数字で何ヶ所も間違えると本番では非常に危険なのである c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

2 化学の基本知識 覚えておきたい元素記号 番号 元素 H He Li Be B C N O F Ne 番号 元素 Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca 水兵リーベ僕のお船七曲り ships クラークか 基本単位の原子物質を細かく分けていくと, 分子, そして分子をさらに細かく すると原子となる その原子はさらに細かく分けることができる 正の電気をもつ陽子と負の電子をもつ電子と電気的に 0 の中性子 から成る たとえば 6 3 Li のリチウム 6 を考えてみる 6 というのは 質量数であり, 陽子と中性子の個数のことである また, 電子はこ の 2 つに比べて非常に小さいので, 質量は 0 とみなしている まず, 陽子の数が原子番号, 元素記号を決定する 原子番号が増 えると電子も同じ数だけ増える また, 中性子も陽子の数が 1 個 増えるごとに増える 同位体と同素体陽子と電子の数で化学的性質は決まるが, 中性子の数が違うも のがある これらを同位体 ( アイソトープ ) という 12 6 C と 13 6 C は 中性子の数が 1 個だけ違う このようなもののことを指す 他に水 素 ( 1 H) と重水素 ( 2 H) と三重水素 ( 3 H) がある 質量 電荷 陽子 1 +1 電子 0 1 中性子 1 0 また, 酸素 O 2 とオゾン O 3 の関係や, 炭素 C とダイヤモンド C のような関係は同素体と よばれる 同位体は原子のこと, 同素体は物質のことであるから, 間違えないようにしたい 電子の軌道陽子と中性子でできたものを原子核という 太陽と惑星か らなる太陽系のようにその原子核の周りを電子が決まった軌 道で公転しているのである その軌道のことをその軌道のことを電子殻のようにいう 電子殻は内側から K 殻,L 殻,M 殻 の順に名前をつける また, 最も外側の電子殻を最外殻 といい, その軌道を回る電子を最外殻電子という 各殻には 入ることのできる電子の数が決まっており,K 殻には 2 個, L 殻には 8 個,M 殻には 18 個 と内側から n 番目の殻には 2n 2 個の電子が入る 周期表で 1 段下, つまり 1 周期だけ上がると, 軌道が増え るということになる 同じ 1 族の水素, リチウム, ナトリウ ム の順で, 電子殻が 1 つずつ増えていく 軌道殻 K L M N 電子 中心から n 番目の軌道に入る電 子数は 2n 2 個 c21-2 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

3 イオン まず, 陽イオンと陰イオンを正確に覚えるそのあとプラスとマイナスの数が合うようにイオンを準備する化学式の書き方に慣れる イオンと価数原子は正の電気を持つ陽子と, 負の電気を持つ電子と帯電 していない中性子からなる 陽子の数と電子の数が一致しな いと, 正または負に帯電する これをイオンとよぶ 電子が少 なく, 正に帯電したものを陽イオン, 電子が多く負に帯電した ものを陰イオンとよぶ また, 学術用語としては プラスイオ ン や マイナスイオン という呼称は使わないので気をつけてもらいたい 覚えるべきイオン高校化学においては物質名を覚えてなんぼの世界である もう あとで ではなく, 今す ぐに 覚えてもらいたい 英語で言うなら英単語を暗記するようなものである まずは陰イ オンから 名前 イオン式 名 前 イオン式 名前 イオン式 塩化物イオン Cl 酸化物イオン O 2 リン酸イオン 3 PO 4 フッ化物イオン F 硫化物イオン S 2 チオ硫酸イオン 2 S 2 O 3 臭化物イオン Br 硫酸イオン 2 SO 4 シアン化物イオン CN ヨウ化物イオン I 炭酸イオン 2 CO 3 過マンガン酸イオン MnO 4 水酸化物イオン OH クロム酸イオン 2 CrO 4 炭酸水素イオン HCO 3 二クロム酸イオン 2 Cr 2 O 7 硝酸イオン NO 3 次に陽イオンも次のものを覚えたい なお, 以下の表はすべて イオン を省略している 名 前 イオン式 名 前 イオン式 名 前 イオン式 水 素 H + マグネシウム Mg 2+ 亜 鉛 Zn 2+ アンモニウム + NH 4 カルシウム Ca 2+ アルミニウム Al 3+ オキソニウム H 3 O + バリウム Ba 2+ クロム (III) Cr 3+ ナトリウム Na + 銅 (II) Cu 2+ 銀 (I) Ag + カリウム K + 鉄 (II) Fe 2+ リチウム Li + 鉄 (III) Fe 3+ また, 陽イオンと陰イオンは結合して化合物を作る 最も身近なのが塩化ナトリウム NaCl であろう Na + と Cl が合わさって NaCl となった イオンで化合物を作るときは電荷が 0 になるようにする 塩化カルシウムなら, 陽イオンのカルシウムイオン Ca 2+ と陰イオンの塩化物イオン Cl が結合するが,1 個ずつで CaCl とすると,+ が 1 つ余ってしまう このとき Cl は 2 個必要である Cl が 2 個というのは O 2 や H 2 O などと同様, 右下に小さく書いて表現する だから CaCl 2 となる また, リン 酸カルシウムは 3 個の Ca 2+ と 2 個の PO 4 3 が合体する Ca はこの 2 文字で元素記号 1 つ なので Ca 3 と書くが,PO 4 が 2 つというのはカッコで閉じて右下に 2 と書く だからリン 酸カルシウムは Ca 3 (PO 4 ) 2 になる c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

4 電気陰性度とイオン化エネルギー 電気陰性度電子を引きつける強さ 大きいほど陰イオンになりやすい第一イオン化エネルギー電子 1 個をはがすのに必要なエネルギー 小さいほど陽イオンになりやすい 電気陰性度水分子 H 2 O や塩化水素 HCl を電子式で書くとき,O や Cl の方 に電子を偏らせて書く 事実電子は O や Cl などの非金属元素に 集まる 電子を引きつける力があるのである この強さを電気陰 性度とよび, 周期表の希ガスを除く右上 (F) が最強で, 左下に進 むにつれて弱くなる 電気陰性度はフッ素 F が世の中で最強の原 子である 参考書の周期表などを見ると, フッ素は 4.0, 酸素は 3.5 などの ように電気陰性度の値が記載されている 必ずしも覚える必要はないが, 理解を深くするた めには知っていても損はない 希ガスは含めない 電気陰性度は電子を引きつける度合いであり, 原子は電子を引きつけ て電子殻内に取り込むことにより陰イオンになる ところが希ガスは電子殻が飽和状態のた め電子を中に取り込むことができない つまり電子を積極的に引きつけようとしないため, 電気陰性度は弱いといえる 第一イオン化エネルギー原子のまわりを回る電子を引き離すにはエネルギーが必要 である ホワイトボードなどに貼り付いているマグネットを 外すには力を入れる必要がある それと同じようなものと考 えればよい 原子から電子 1 個を引き離すのに必要なエネル ギーを第一イオン化エネルギーとよぶ 周期表の右上がもっ とも大きく, 左下に行くにつれ弱くなる 実際, 左下には金 属が多い アルカリ金属やアルカリ土類金属は実際, 第一イ オン化エネルギーが小さいため, 陽イオンになりやすいので ある イオン化エネルギーが小さいものほど陽イオンになり やすいということである ところで今回は希ガスも含む ということは希ガスの第一イオン化エネルギーは莫大であ るといえる 実際希ガスは最外殻電子が安定しているためこの状態を保とうとする 希ガス の電子を奪うためには相当なエネルギーが必要である 当然ながら第二イオン化エネルギーというものも存在する 2 個目の電子を奪うのに必要 なエネルギーである 1 族は 1 個電子を失い, 希ガス型電子配置になるので,2 個目のの電子 を奪うのは至難の業である つまりアルカリ金属の第二イオン化エネルギーは莫大である c6-2 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

5 電子式 電子式最外殻電子を で書く共有結合対 ( 偶数個 ) の電子を 2 原子で共有 価電子一般的に最外殻電子のことを価電子という ただし希 ガスの最外殻電子は 8 個であるが, 価電子は 0 と考える 価電子数だけ を元素記号のまわりに書いたものを電子 式という 価電子の数によって電子式は図のようになる ので覚えてもらいたい 共有結合酸素 O 2 や水素 H 2 などは原子どうしの間で電子を提供し合う共有結合をつくる 水素の場合 水素原子 H は 1 個の最外殻電子をもっている すると水素分子 H 2 は最外殻 電子の合計が 2 個となるが, この 2 個を 2 つの水素原子の間で共有することになる この電 子のことを共有電子対という 酸素の場合 酸素原子は最外殻電子が 6 個あり, その中の 4 個は 2 個ずつのペアを組んで いる 残りの 2 つは 1 つずつ単独で原子のまわりを公転しているが, これを不対電子とよ ぶ 酸素分子 O 2 になると, 片方の酸素原子がもつ 2 2 = 4 個の不対電子が相手を求めて 他方の酸素原子の不対電子とペアを組む そのため,O 2 の共有結合は 4 個の電子が関わる ことになる これは 2 組の電子対が間に入り込むので, 二重結合ということになる 不対電子最外殻電子の中でペアになっていないものが不対電子である それぞれの原子が持つ不対電子の数は 1 族 1 個,2 族 2 個,13 族 3 個,14 族 4 個で,15 族が 3 個,16 族が 2 個,17 族が 1 個である 窒素分子の電子式を考えてみる 窒素は最外殻電子が 5 個の 15 族である 不対電子の数は 3 個なので図のように書く 窒素原子は 3 個の不対電子をもつため, 窒素分子 N 2 の原子どうしの間には 6 個 の電子が入る そのため, 三重結合になる 二酸化炭素の場合は, 不対電子が 4 個の炭素原子 1 個と, 最外 殻電子 6 個, うち不対電子 2 個の酸素原子 2 個が化合したもので ある 図のように考えると, 炭素と 1 つの酸素の間には電子が 4 個 入るので, 二重結合となる c207-2 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

6 極性分子 ( 改訂 2.5) 極 極性分子の例は水 アンモニア ハロゲン化水素電子がある一ヶ所に集まっていて電気的な偏りが大きい分子 F,O,N があると水素結合 性原子が結合して分子ができるとき, 共有結合によって原子ど うしが結合する このとき, 組合せによっては電子が一ヶ所に 偏ってしまい, 分子全体として少し電気を帯びることがある 電 気を帯びた分子のことを極性分子という 水素原子は H のように電子を 1 個だけ持つ 他の原子と共有 結合すると, その唯一の電子が結合に使われるため, 結合の反 対側は陽子がむき出しになり, ちょっとプラスに帯電する この ちょっと をギリシャ文字の δ( デルタ ) で表現し,δ + と書く また, 窒素や酸素や塩素は共有結合をしてもその反対側にもた くさんの電子があるので, これらの原子はマイナスに帯電する これを δ で表現する 電子を奪う度合いである電気陰性度の大 きく違う原子どうしが結合した分子は極性を持つものが多い メタン 無極性分子 メタンは中心に C,4 方向が H の正四 面体型の分子である 正に帯電した水素を 4 方向対称的に突き 出しているためトータルとしては打ち消し合い, 極性はない 窒素 無極性分子 窒素原子は電気陰性度が高く,2 つが共有 結合した窒素分子は非共有電子対を 2 対 4 個持つ だから両方 ともマイナスに帯電するが, 対称的なので打ち消し合い, 無極 性である 塩素 Cl 2, 酸素 O 2, 水素 H 2 なども同様である 塩化水素 極性分子 水素はプラスに帯電する また Cl は多量に電子を持つためマイナ スに帯電する 非対称なので H 側がプラス,Cl 側がマイナスで棒磁石のようになる 水 極性分子 代表的な極性分子である 電子式を見ると一見対 照的な直線型に見えるが, 実際は折れ線型である 酸素側がマイナ スに帯電する アンモニア 極性分子メタンとの違いは, 水素原子が 3 個しかないことである N 側がマイナスに帯電する N を頂点,3 個の H を底面三角形とする三角錐型分子になる 水素結合電気陰性度の高い F,O,N の各原子と水素でできている極性分子 は,F,O,N が隣や近くの分子の H との間に強い引力がはたらく F,O,N と他分子の H との間の分子間力のことを水素結合という 極性分子は分子どうし が強く引き合うため, 沸点が高いという特徴があり, 水素結合分子はそれが顕著である c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

7 イオン結晶 A4 個,B8 個ならイオン結晶の組成式 AB 2 面心立方格子と同じ配列もあるので時間をムダに費やさない NaCl 型 CsCl 型は覚えて損はない 塩化ナトリウム型上の図の結晶である を Na, を Cl, またその逆にしても, 要するに と が縦横無尽に 1 個ずつ交互に並んでいる これは のみを見ると面心立方格子と同じで,4 個となる は中心に 1 つ 辺には 1/4 個ある 立方体の辺は 12 本ということを知って いれば = 3 個 よって も 4 個と分かる ある を取り囲んでいる の数は何個で あろうか 上の図で中央にある白丸に注目する そうすると立方体の各面に があるので, 6 個と分かる ある を取り囲む は各辺の と考えれば, 数えなくても 12 個と分かる 塩化セシウム型面心立方格子と似ているが, 頂点と中心に入っている原子 ( イオン ) は別物 NaCl 型よりはスカスカである 右図は球体に少々グラデーションをかけてしまったが, と として扱う は各頂点にあるため, = 1 個とな る また は堂々と中央に 1 個ある 中央のイオンには分かりやすくするためイラストに影 を加えたが実際の塩化セシウム型構造ではもちろん影はない 2 種類の原子は 1 : 1 で存在 することになる 閃亜鉛鉱型閃亜鉛鉱というのは硫化亜鉛 ZnS のことである は面心 立方格子と同じ配列なので,4 個とすぐに分かる 面心立方格 子は単位格子の中に 4 個入っていることはもはや知識として覚 えておくべきである は, 立方格子の中にすっぽりと入り込 んでいる この ZnS 単位格子の図は若干見づらいので見方を 訓練しておきたい 図の右のようにイラストを描くとき, 手前 のものは奥のものの上から描くというのは分かると思う それ で の位置を見ると,4 個すべてが格子の中に入っていること が分かる 単位格子の図は論理的に見ることを心がけたい 一辺の長さを a とし, この格子を一辺が a/2 の立方体に分割すると 8 個できる そのうち 手前下にある 2 つの小さな立方体を見てほしい 1 つは 8 頂点のうち 4 頂点に があり, 中 央に が, もう 1 つは がないバージョンである なお,ZnS 型において と を同じ元素 にすれば正四面体型に原子が並ぶダイヤモンドの結晶格子になる 2 次試験を中心とした入 試では意外と出題される c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

8 結晶の種類 結 共有結合結晶はあらゆる意味で最強分子結晶はその反対で最弱金属は自由電子を持つイオン結晶は硬いが衝撃には弱い共有結合結晶は少数派 晶固体で粒子が規則的に並んでいるものを結晶という 結晶には分子 結晶, 共有結合結晶, イオン結晶, 金属結晶がある 金属結晶 最大の特徴は自由電子を持ち, 電気伝導性が高いこと である アルミや鉄や銅などがある 融点は高いという印象がある が, それは鉄や銅であり, 中にはナトリウム ( 融点約 98 ) やカリウ ム ( 同 63 ) がある 延性や展性がある また, 比熱が低く, 熱しや すく冷めやすい イオン結晶 陽イオンと陰イオンが規則正しく配列している 電 気的な静電気力 ( クーロン力 ) で結合しているので, ガッチリとつな がっていて結晶は硬い しかし衝撃には弱く, 図のようにイオン配列 がずれると同符号のイオンどうしの反発力により破壊される 硬くも ろい, 一見矛盾しているように思えるが, イオン結晶の特徴である 電気伝導性はないが, 水に溶けやすいものなら水溶液にすることで イオンに電離するので, 液体中なら電気伝導性を持つ 塩化ナトリウム NaCl, 石灰石 ( 炭酸カルシウム )CaCO 3, 硝酸ナト リウム NaNO 3 など, 種類は多い 共有結合結晶 原子どうし共有結合によって結合する どこまでも共有結合で永遠につな がっている 共有結合は強力であるため, 結晶も硬い また, 原子どうしが散らばりにくい ため, 融点が高いことが挙げられる また, 電気伝導性もないが, 黒鉛は例外である 例となる物質は少なく, 炭素 C, ケイ素 Si, 二酸化ケ イ素 SiO 2, 炭化ケイ素 SiC を覚えておけば十分である 分子結晶 分子自身は共有結合でできているが, その 分子たちが分子間力によって集まって固体となったもの ただ集まっているだけなので結合力も弱く, 融点も低い 固体から液体にならずそのまま気体になる昇華するもの が多いのも特徴である ドライアイス CO 2, ナフタレン C 10 H 8, ヨウ素 I 2 など がある 分子式を書けるものに多い 結晶の性質共有結合結晶はあらゆる意味で 最強 である 非常に硬く, 頑丈である 融点も高い, 力を加えても壊れにくい そして分子結晶がその逆で最弱である その覚え方で十分であ る 物質によって 個性 が強いのが金属結晶である c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

9 モルの概念 (I) 物質量の定義 1mol は 個のことモルは個数と同じように扱う分子量 原子量は 1mol の重さのこと酸素分子 1mol( 個 ) で 32g 標準状態の気体は 1mol がおよそ 22.4l モルとは定義に従って忠実に説明すると, 炭素 12( 12 C) の 12g 中に 入っている炭素原子の個数のことをアボガドロ定数という し かし, 一般にはこういった説明よりも 個のこと を 1mol という と定義した方が分かりやすい アボガドロ定 数を N 0 や N A などで表現する 単位は [/mol] そしてこのアボガドロ定数を使うと化学の世界は何かと便 利なのである 水素原子を 1mol 集めると, ちょうど 1g 程度, 窒素原子なら 14g のように, 原子, 分子, イオンなどを 1mol 集めるとおおよそ整数値になり, 計算がしやすくなる 話をややこしくするために モル を導入しているわけではなく, シンプルにするための究極の技なのである ここで,3mol,5mol などのことを物質量または習慣的にモル数という 式量ヘリウムなら He = 4.0, 酸素なら O = 16, またナトリウムなら Na = 23 という表記を化学ではよく見る これらの原子を 1mol 集 めるとこの質量になるという意味である このように原子 1mol の 質量 ( 重さ ) を原子量という また,O 2 = 32 や NH 3 = 17 などは分子量といい, 分子 1mol の質量 ( 重さ ) を表す また,NaCl = 58.5 はどうだろうか 塩化ナトリウムはイオン結晶であり, 分子や原 子という形ではないので, 分子量, 原子量とは言わない この場 合は式量という いずれにせよ, 原子量も分子量も式量も 1mol の 重さと考えればよい あとは 算数 の世界である 分子量, 原子量, 式量には単位は書かない 分子量を求めよという問題のとき, 単位を 書いたら減点されるので注意してもらいたい しかし 1mol あたりの重さなので, 計算上は [g/mol] として考えるとラクである 基本の計算基本的なモル数の計算を紹介する 有効数字 2 桁 O = 16, C = 12 1 酸素 0.30mol は何 g か O 2 = 32 つまり,1mol が 32g なので, = 9.6g 2 二酸化炭素 22g の物質量 CO 2 = 44 で,1mol は 44g = 0.50mol 3 二酸化炭素 22g 中の酸素原子は何 mol か CO 2 1 つをバラすと,O は 2 個になる CO 2 が 0.50mol なので O は = 1.0mol c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

10 モルの概念 (II) 標準状態の気体 分子量は分子 1mol の重さ原子量は原子 1mol の重さ標準状態の気体は 1mol が 22.4l になる 1mol は 個セットのこと まずモルで考える化学全範囲にわたる 公用語 といえるのがこのモルである 分 子量と質量が分かればモル数も計算によって求められる 気体の 場合, 標準状態のとき 1mol 集めるとその体積は 22.4l になる これはどの気体でも同じである ちなみに標準状態とは, 温度が 0, 圧力が 1 気圧 (1atm Pa) のことである だから酸 素 11.2l は 0.5mol, 窒素 44.8l は 2mol のようになる 計算例 ( 標準状態, アボガドロ数 /mol) 1 酸素 2.24l に含まれる酸素原子の個数 ( 有効数字 2 桁 ) まず酸素 O 2 の 2.24l は 0.1mol なのは上記の通り O 2 分 子 1 粒は 2 個の酸素原子でできているので, 酸素 0.1mol は 原子 0.2mol ということになる よって酸素原子の数は = 個 2 アンモニア 33.6l に含まれる水素原子の物質量 [mol]( 有効数字 3 桁 ) 気体 33.6l は 1.5mol である アンモニア分子は NH 3 と 書く アンモニア分子 1 つは 3 個の水素原子と 1 個の窒素 原子から成る モルは個数をまとめたものなので, 個数と 同じように扱う アンモニア分子を 15 個集めると, その中 には水素原子は 45 個存在する それと同じく, アンモニア 分子 1.5mol の中に含まれる水素原子は = 4.50mol 3エチレン (C 2 H 4 = 28 気体 )20g の標準状態体積 [l]( 有効数字 2 桁 ) エチレン 20g は 20 [mol] これは割り切れないので割り算はガマン 化学では計算しない 28 忍耐力も必要といえる 気体は 1mol が 22.4l なので, これを 22.4 倍すればリットル体積に なる = 22.4 = = 16l 4 密度が 1.5g/l の気体の分子量 ( 有効数字 2 桁 ) 基本的に分子量というのは分子 1mol の重さという認識よい こ の気体は 1l で 1.5g という意味である 1mol 集めると,22.4l になる ので分子量, すなわち 1mol の重さ, つまり 22.4l の重さは = c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

11 係数決定の方法 Ⅰ. 両辺に 1 回ずつしか登場していない元素を探し好きな係数をつける Ⅱ. その他の 1 回ずつしか登場していない元素の係数を文字でおく Ⅲ. 残りものの係数も文字でおく 理屈よりも練習が大切化学反応式の係数を決めるのは基本であり, 化学をやる以上, 何かと必要である だから なるべく早めに身につけてもらいたい内容である 例題 1 ( )Fe 2 O 3 + ( )CO ( )Fe + ( )CO 2 解答 まず手順 I より, 鉄 Fe と炭素 C は左右の辺で 1 回ずつしか出ていない まずは Fe 2 O 3 の係数を 1 にしてみる すると右辺の Fe の係数は自動的に 2 となる また, 左辺の C は CO のみ, 右辺の C は CO 2 のみだから CO と CO 2 はどちらも係数が同じになるはず なので x とでもおく ここで勝手に 2 とか 3 にしてはいけない それでは Fe との関係がな くなってしまう 好きな数字にできるのは初めの 1 回だけである ( 1 )Fe 2 O 3 + ( x )CO ( 2 )Fe + ( x )CO 2 とする そして両辺の O の数は等しいので x で方程式を立てる すると 3 + x = 2x x = 3 以上から Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 例題 2 ( )MnO 2 + ( )HCl ( )MnCl 2 + ( )H 2 O + ( )Cl 2 解答 塩素を発生させる有名な式 ややこしく見えるが,Mn と O と H は左辺, 右辺ど ちらを見ても 1 回ずつしか登場していないので, まず左辺の MnO 2 の係数を 1 とする そう すれば右辺の MnCl 2 は Mn のみに注目すればこちらの係数も自ずと 1 になる また,MnO 2 の係数が 1 なら O が 2 個になり, 右辺の H 2 O は 2 個必要になる その影響から,H が 4 個 になるから左辺の HCl は 4 個 あとは Cl 2 の係数を x とでもおく ( 1 )MnO 2 + ( 4 )HCl ( 1 )MnCl 2 + ( 2 )H 2 O + ( x )Cl 2 Cl について 4 = 2 + 2x x = 1 結論は MnO 2 + 4HCl MnCl 2 + 2H 2 O + Cl 2 例題 3 ( )Cu + ( )HNO 3 ( )Cu(NO 3 ) 2 + ( )NO + ( )H 2 O 解答 希硝酸と銅の反応であり, 最終的には覚えてもらいたい反応式である まず Cu と Cu(NO 3 ) 2 の係数が同じであり,1 とする H も左辺は HNO 3, 右辺は H 2 O で 1 回ずつしか出ていないため,H 2 O の係数を x としてみる すると左辺は H が 2x 個になる ため,HNO 3 の係数 2x となる NO の係数は直接出しにくいので y とおく ( 1 )Cu + {( 2x )HNO 3 ( 1 )Cu(NO 3 ) 2 + ( y )NO + ( x )H 2 O N について 2x = 2 + y x = 4 O について 6x = 6 + y + x 3, y = 2 3 分数係数になってしまったが,3 倍して分母を払えばよい 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O 化学反応式の定数決定はあくまでも見たことのない反応式を完成させる手法である 例題 1~3 で扱った化学反応式は, 実はすべて覚えてほしい代表的な化学反応式である c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

12 化学反応式の使い方 化学反応式の係数は反応するときのモル比を表す左図の場合,7mol の窒素の完全反応で 14mol のアンモニアが生成する分子量や 22.4l/mol も活用 モルがすべて化学反応式の係数は, 反応するときの比を表す 上は窒素 1mol と水素 3mol からアンモ ニアが 2mol できるという反応である もっと複雑な反応でも同じである 例としてプロピ レン C 3 H 6 の完全燃焼を考えてみる 化学反応式は 2C 3 H 6 + 9O 2 6CO 2 + 6H 2 O となる これは 2mol のプロピレンに 9mol の酸素, つまり,a[mol] のプロピレンには 9 2 a[mol] の酸素が反応することを表す a[mol] のプロピレンなら, 二酸化炭素は 3a[mol], 水も 3a[mol] である では, プロピレン 3.0mol, 酸素 15mol を混合し, プロピレンを完全燃焼したとす る プロピレン 3.0mol に必要な酸素は = 13.5mol で なんて頭の中だけで考え 2 てやっていると あー, もう! と嫌になってくるので, 下のような表を書いてみる [mol] 2C 3 H 6 + 9O 2 6CO 2 + 6H 2 O 初期の量 反応する量 係数比 反応後 反応の行のみ, 係数を使う 化学反応式の左辺は 材 料 で, 右辺は 製品 である 反応するときは左辺の 物質は減り, 右辺の物質は増加する 化学反応後の処理では具体的にこれらの化学反応式を使って計算する方 法を紹介する 有効数字は 2 桁とし, 原子量は CO 2 = 44,H 2 O = 18 とする 二酸化炭素は 9.0mol 発生したので = また, 水は = これより, 二酸化炭素 : g, 水 : g 水蒸気の体積を無視し, 残った気体の標準状態における体積を求めよ, という問題はどう すればよいか とりあえず残った気体のモル数をすべて求め, それに 22.4 をかければよい 上の表の通りであるが, 酸素も一部が残っているため, 二酸化炭素とこれを足さなければな らない すると, これらの合計は 10.5mol となる = l 化学反応式を使う計算問題では急がば回れの精神で, 時間を惜しまずに表を書いて丁寧に 考えたい その方が素早く問題を解くことができるうえ, ケアレスミスなども減る 面倒く さがって頭の中で考えると混乱し, かえって遅くなることが多いのである c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

13 混合物の成分計算 混合物を反応させるとき各物質は独立して反応するしたがって,2 つの化学反応式を辺々足したり引いたり代入したりしない単位に注意する 混合物は独立して反応例えば鉄とアルミニウムの混合物 ( ただ混ざっただけのもの ) の比率を求めるとき, その混合物の各成分の量 ( モル数か質量 ) を x や y などとおく そして塩酸をかけて発生した水素の量 や加熱してできた酸化物の質量などのデータから, 連立方程式 を立てて考えるという方法が一般的である 鉄とアルミニウムの混合物が 3.61g ある これに塩酸を加え ると気体が標準状態換算で 2.128l 発生した 鉄の質量パーセ ントを求めてみたい 有効数字は 2 桁,Fe = 56,Al = 27 と する まず化学反応式を書くことから始める Fe + 2HCl FeCl 2 + H 2 2Al + 6HCl 2AlCl 3 + 3H 2 これを見ると鉄は 1mol につき水素が 1mol, アルミニウムは 1mol につき水素が 3 2 mol 発生 する ここで, 間違ってもしてはいけないことがある 2 つの式を足し合わせて Fe + 2Al + 8HCl FeCl 2 + 2AlCl 3 + 4H 2 とは, 何が何でもやっていはいけない このやり方は,Fe と Al がモル比にして 1 : 2 とい うことを自分で決め付けていることになり, 根底から間違っているのである 混合物の場合, 各物質がお互いに関わり合わずに反応するので, 鉄を x[g], アルミニウム を y[g] とする このとき, 合計 3.61g なので, x + y = 次に, 発生した水素を考える x,y はグラム, 水素はリット ル, 化学反応式はモルと単位がバラバラなので, まず揃えるこ とが必要である モルに統一すると分かりやすい 水素 2.128l は, = 0.095mol これは鉄と反応した分 22.4 とアルミニウムと反応した分の合計である 化学反応式を見 ると鉄 1mol から水素 1mol が, アルミニウム 1mol から水素 3 2 mol が発生する 鉄は x 56 mol なので, 鉄によって発生する水素は x 56 mol, アルミニウムによって発生する水素は 3 2 y mol これらを合わせると前述 27 の 0.095mol だから, x y 27 = ,2より x = 2.8g,y = 0.81g 鉄の含有率は = % 3.61 c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

14 基本法則 質量保存の法則ラボアジエ 1774 年定比例の法則プルースト 1799 年気体反応の法則ゲーリュサック 1802 年倍数比例の法則ドルトン 1803 年アボガドロの法則アボガドロ 1811 年 覚えるべき法則は 5 つめったに出題されることはないが, 化学の基本法則は覚えておいて損はない いずれも今 となっては当たり前のことだが, 化学という学問の発展に貢献したものばかりである 質量保存の法則 化学反応の前後で物質のトータルの質量は変 わらないという有名な法則 ラボアジエによって唱えられた 定比例の法則 酸化マグネシウム MgO は,Mg を空気中で加 熱することで生成する このとき, このとき, マグネシウムに結 合する酸素の量は元のマグネシウムの質量に比例する MgO の マグネシウムと酸素の比は 3 : 2 となる マグネシウム 60g なら 酸素 40g, マグネシウム 300t なら酸素 200t のようにいつでも質 量比が 3 : 2 になる法則である 物質量比ではないので注意! これはプルーストが提唱したものである 気体反応の法則気体どうしが反応するとき, 同音 同圧なら 反応する体積比は簡単な整数比となる つまり 1l の水素と 1l の 塩素が反応して 2l の塩化水素が発生するなら,4l の水素とは 4l の塩素が反応するというこ とである これはゲーリュサックが提唱した 語呂合わせとして 気体にリュックサック とでもして覚えておいてもよいだろう 倍数比例の法則 文章では分かりにくいので図を参照さ れたい ある 2 つの原子 X,Y で構成される化合物を 2 種 類以上準備する 化合物を α,β とする 2 種類の化合物を構成する 2 つのどちらかの原子, 例えば X に注目すると α 内の X 原子が持つ Y の質量と,β 内の X 原子が持つ Y の 質量とは簡単な整数比になるという法則 図で CO と CO 2 を挙げたので見てほしい これはドルトンによって提唱された 現在の化学反応の 土台となっている重要な法則である 定比例と混同しない ように 語呂合わせ ドバイの天ぷら ( ドルトン 倍数比例 定比例 プルースト ) という のはいかがだろうか アボガドロの法則同温, 同圧において同じ体積の気体は, 種類が違ってもその中に含ま れる分子の数は同じという法則 提唱者はもちろん, アボガドロである これがあの有名な 0,1 気圧 ( 標準状態 ) で 1mol の気体は 22.4l に結びついたといえ る H 2 も O 2 も NH 3 も 0 1 気圧になると 22.4l 中 1mol, つまり 個の分子が 存在することである c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学

15 熱 量 物質 1g を 1K 上昇させるのに必要なエネルギー ( 熱量 ) が比熱 c[j/g K] 熱量 Q[J], 質量 m[g], 温度変化 t[k] のとき Q = mct 温度変化は摂氏もケルビンも同じ 水を加熱した場合 100g の水と 1g の水に同じ火力または電力で加熱した場合, どちらが早く温まるだろうか もちろん 1g の方である また 100g の水と 100g の鉄球に同じ熱を与えると早く温まるのは鉄である 1g を 1 上げるための熱量を比熱といい, 単位は J/g K であ る [J] ジュールは物理選択の人には馴染みの深いエネルギーの 単位である 今, 水の比熱を 4.2J/g K とする これは水 1g を 1 上げるのに 4.2J 必要ということである もし水 1g を 2 上 げるなら 8.4J 必要ということである 水 5.0g を 20 から 30 に上昇させるために必要なエネルギーは, (30 20) = J ここで,20 は絶対温度で 293K,30 は 303K であるが, その差は 10K であり, 摂氏の 差と同じである 間違っても差の 10 に 273 を足すなどはしないでほしい さて, 比熱を c[j/g K], 質量 m[g], 温度変化を t[k] とすると, 熱量 Q[J] は Q = mct となる 公式として覚えておくと何かと便利である 熱化学方程式の分野と融合された問題 もよく出題される 状態変化氷を加熱して水にするとき,1atm(1 気圧 ) のもとでは 0 になったら氷が融けて水になり始める この時氷は融解熱とい うものを吸収して水になる このとき温度上昇に使われるはず の熱がすべて融解熱に使われるため, すべての氷が融け切るま では温度が上がらない 例 9.0g, 5 の氷を 10 の水にするのに必要なエネルギー [kj] を求めよ 氷の比熱は現実と違うが 3.0, 水の比熱は 4.2 とする また氷の融解熱は 6.0kJ/mol とする 解 氷 9.0g を 5.0K 加熱し, = 0.50mol の氷を水に変 え, また 9.0g の水を 10K 加熱する このように 3 段階で考え ればよい 注意してもらいたいのが融解熱は kj 単位ということである Q = mct の Q の単 位は J なので, この比熱を使って求めた熱量は 10 3 倍して kj に換算してから足さなければ ならない = kJ 固体から液体を説明したが, 液体から気体も蒸発熱が必要であり同様である c 新快速のページ講義ノートシリーズ化学