第２節　物質量

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第2節　物質量

Ａ　物質量の単位

物質量

►モル

　SI基本単位の7種の物理量の1つである「物質量」の単位の名称で，記号はmol

である。12gの¹² Cに含まれる¹² C原子の数(アボガドロ数)と同数個の粒子集団を

1molと定義する。原子・分子・イオン・遊離基・電子などの粒子からなる物質の

量を示すときに用いられ，粒子種を明示する必要がある。

アボガドロ数とモル

►アボガドロ数

　アボガドロ数は，Ⅹ線による結晶格子の研究と密度の測定，単分子膜の測定，電

解における析出量と電気素量，α線の放出量と発生したヘリウムの量の測定などの

方法で，実測されている。その値は，1875年には30％の誤差で知られていた。

1909年になるとミリカンの油滴実験によって誤差1％までに縮められ，1930～

1940年の間の実験物理学者の研究によって誤差0.1％まで精度が高められた。現在，

最も精密な値は6.0221367×10²³とされている。異なった方法で求められた値がほ

ぼ一致するという事実は，物質の原子・分子的構造の理論が単なる仮説ではなく，

十分な実験的根拠をもつものであることを説明している。

　塩化カリウムの単位格子はK^＋とCl^－をそれぞれ4個含む。その1辺は，Ⅹ線解析

から0.629nmと求められている。一方，密度は1.99g/cm³と測定され，式量は74.6だ

から，アボガドロ数をN_Aとすると，

Ｂ　物質量と質量・体積

物質量と体積

►気体のモル体積

　気体1molの体積が，0℃，1013 hPa (1atm)の標準状態において，

22.4 l (正確な理想気体のモル体積は，22.41410l)であることは，化学の重要な基

礎知識である。しかし，実在気体では，この値からいくらかずれる。

　気体1molの質量を，その気体の標準状態における密度で割ると，標準状態のモ

ル体積を求めることができる。気体のモル体積の例を次に示す。

(1)　22.4 lとみなすことができる実在気体

　H₂22.449　　Xe22.444　　Ne22.428　　He22.424　　CO22.408

　N₂22.404　　F₂22.403　　Ar22.397　　0₂22.394

(2)　22.4 lから少しずれる実在気体

　CO₂22.262　　C₂H₄22.259　　H₂S22.152　　NH₃22.078

　C₃H₆21.976　　SO₂21.890　　CH₃OCH₃21.856

実験２　気体の体積と物質量

►参考実験　気体のモル体積の測定

【目的】簡便に短時間に，気体のモル体積を求めてみる。

【準備】丸底フラスコ(100cm³)，三角フラスコ(1l )，1lメスシリンダー，誘導

　管，ゴム管，ゴム栓，上皿天秤，水槽，ドライアイス

【操作】(1)　表面の氷をぬぐい取ったドライアイスのかたまり約1.7gを取り，上

　皿天秤を使ってすばやく測る。

(2)　これを100cm³のフラスコに入れてすぐにゴム栓をし，図のように装置する。

(3)　手のひらでフラスコを温めて，ドライアイスを昇華させる。

(4)　この方法で測り取った二酸化炭素の体積を求める。

(5) このときの大気の圧力と気体の温度を測り，状態方程式から分子量を求める。

注1．二酸化炭素はいくらか水に溶けるが，本法ではそれはほとんど問題にならな

　　い。発生したCO₂の気体は丸底フラスコや三角フラスコ中に存在する空気を

　　追い出す。したがって，水上に置換される気体はCO₂ではなく，ほとんど空

　　気である。すなわち，発生したCO₂と同体積の空気が捕集されたことになる

　　からである。

　2.ドライアイスは刻々と昇華するから，厳密な質量は求められない。本法はそ

　　の程度の概略値を求める実験である。よって，上皿天秤を用い，また，メスシ

　リンダーの内外の水面の高さを一致させる操作も不要である。

【実験結果】ドライアイスを1.5g用いたとすると，CO₂＝44であるから，27°C，

1atmのもとでの捕集気体の体積は

となる。

820cm³～860cm³の結果なら標準状態のCO₂のモル体積は，

　21.9l～22.9lになる。

Ｃ　溶液の濃度

►溶解の機構

イオン結晶の溶解　塩化ナトリウムは水によく溶けるが，ベンゼンには溶けない。

塩化ナトリウムの結晶中では，Na⁺とCl^－が静電気力で強く結ばれている。これに

対して，Na⁺やCl^－とベンゼン分子との間にはこのような力は働かない。そのために，

結晶から溶液中へこれらのイオンが移るのは容易でない。一方，これらのイオンが

水の中に入ると，イオンの静電気力によってイオンの周りに水分子が強く吸引され

る(水和)。そのためにこれらの結晶は水によく溶ける。

一般に，ある物質が1つの液体によく溶けるかどうかということを考えるには，

次の点に基づかなければならない。

(1)　溶質物質の粒子間に働いている力

(2)　溶媒分子間に働いている力と溶媒の液体構造

(3)　溶質粒子と溶媒分子の間の力

分子結晶の溶解　ナフタレンのような固体がベンゼンなどに溶ける無極性物質相

互の溶解の場合には，固体内の分子間の力，固体の分子が液体中に溶けたときの溶

質分子と溶媒分子の間の力，および溶媒分子間の力は，同じような性質のもので同程

度の大きさである。このような場合には，分子がよく混じり合って乱雑さの大きい

状態に移っていこうとするのでよく溶ける。

►溶液の濃度の表し方

目的により，いろいろな表し方がある。

(1)　

直観的にわかるので便利であるが,化学変化の量的関係を考えるには不向きである。

水溶液では無水物の溶質について示す。

(2)　

体積モル濃度ともいう。cmol/lの溶液がv mlあれば,溶質はcv×10^-3mol存在する

ことになるので，溶液に関する化学反応では量的計算を行うときモル濃度を用いる

と便利である。

参考　その他の濃度の表し方

(1)　ppm　　微量の成分を体積や質量の百万分率で示す濃度である。

ppmはparts per millionの略記号。mg/kgやcm³/m³などの単位で示すこともある。他

に千分率(パーミルまたはプロミル，⁰/₀₀)，十億分率(ピーピービー， ppb)なども特別な

場合に用いられる。

(2)　

温度により値が変わらないので便利である。

溶媒の質量をその分子量で割れば溶媒の物質量が求められるから，この濃度表示

は溶質〔mol〕／溶媒〔mol〕と考えることもでき，換言すれば，溶質粒子の

個数／溶媒分子の個数　ということもできる。もし，溶媒の物質量に対し溶質の物

質量が極めて小さく，溶媒〔mol〕≒溶液〔mol〕とみなせるときは，次に示すモル

分率と同じ意味になる。

(3)　モル分率　　溶質の物質量を溶液全体の物質量で割ったものを,モル分率とい

う。無名数で単位はない。液体どうしや気体どうしの混合物を表すのに用いられ

る。

(4)　

当量濃度，規定濃度ともいう。酸・塩基，酸化・還元などで用いられ，化学

反応の量的関係を表すのに便利である。SI単位ではないので，教科書には記述

されていないが，まだ当分は根強く化学の世界では用いられると思われる。