標準状態(、)で、窒素 の体積は何 か。有効数字 3 桁で求めよ。ただし、標準状態における気体のモル体積は とし、窒素は理想気体とみなす。
気体の体積と物質量
標準状態のモル体積 を使って気体の体積と物質量を換算し、気体の密度から分子量を求められる()
前提
- 物質量と質量・粒子の数 (高校化学 物質量と化学反応式)
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- 原子・分子と化学式 (中学理科 化学分野の用語と知識)
- 原子量・分子量・式量 (高校化学 物質量と化学反応式)
- 物質量と質量・粒子の数 (高校化学 物質量と化学反応式)
説明
気体は、種類によらず、同じ温度・同じ圧力なら 1 mol あたりの体積がほぼ同じになります。0 ℃、 の状態(標準状態)では、その体積は です。この技能では、この値(モル体積)を使って気体の体積と物質量を互いに換算し、さらに気体の密度からその気体の分子量を求められるようになります。気体が発生する反応の量を考えるときや、未知の気体の正体を分子量からしぼりこむときに使います。
なぜそうしてよいのか
気体では、分子どうしの間がとても大きく空いていて、気体の体積のほとんどはすき間です。そのため、気体の体積は分子 1 個の大きさにはほとんどよらず、分子の数と温度・圧力で決まります。実際、「同じ温度・同じ圧力のもとでは、同じ体積の気体には、気体の種類によらず同じ数の分子が含まれる」ことが知られています(アボガドロの法則)。
したがって、気体 1 mol(分子 個)の体積は、温度と圧力が決まれば気体の種類によらず一定になります。標準状態(0 ℃、)では、この体積は約 です。これを標準状態のモル体積といいます(単位 L/mol)。体積 [L] の気体は「22.4 L のまとまりがいくつあるか」を考えればよいので、
となります。
気体の密度 [g/L] は、気体 1 L あたりの質量です。標準状態では 1 mol が 22.4 L を占めるので、1 mol の質量(モル質量 [g/mol])は 1 L あたりの質量の 22.4 倍、つまり
です。モル質量の数値は分子量に等しいので、密度から分子量が求まります。
手順
気体が標準状態(0 ℃、)にあることを確認する(標準状態でなければ 22.4 L/mol は使えない)
質量から体積を求めるときは、まず物質量を で求める
物質量から体積を求めるときは [L]、体積から物質量を求めるときは [mol] とする
密度 [g/L] から分子量を求めるときは を計算し、その数値を分子量とする
問題文で指定された有効数字の桁数に丸める
例題
二酸化炭素 4.4 g が標準状態(0 ℃、)で占める体積は何 L か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は , とし、標準状態の気体のモル体積は とする。
例題の解答
手順 1: 気体は標準状態にあるので、モル体積 22.4 L/mol が使える。
手順 2: の分子量は なので、モル質量は 。物質量は
手順 3: 体積は
手順 5: 有効数字 2 桁に丸めて 2.2 L。
答え:
よくある誤り
体積から物質量を求めるときに 22.4 をかけてしまう誤り。たとえば標準状態で 5.6 L の気体の物質量を としてしまう。正しくは 。
標準状態以外(たとえば 27 ℃)でも 22.4 L/mol を使ってしまう誤り。正しくは、22.4 L/mol は 0 ℃、 のときの値であり、温度や圧力が違えば 1 mol の体積も変わる。
液体や固体にも 22.4 L/mol を使ってしまう誤り。たとえば水 1 mol(18 g)の体積を 22.4 L としてしまう。正しくは、モル体積が種類によらず一定なのは気体だけで、液体の水 18 g の体積は約 18 mL である。
密度から分子量を求めるときに 22.4 で割ってしまう誤り。たとえば標準状態での密度が 1.25 g/L の気体の分子量を としてしまう。正しくは 。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
塩化アンモニウム と水酸化カルシウム をよく混ぜて試験管に入れ、加熱してアンモニアを発生させた。反応は次の化学反応式で表される。
一方の物質がなくなるまで反応が完全に進んだとき、発生したアンモニアの体積は、標準状態(、)で何 L か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は 、、、、 とし、標準状態における気体のモル体積は とする。発生したアンモニアはすべて捕集され、生じた水に溶けることはないものとする。
アンモニア の体積は、、 において何 L か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、原子量は 、 とし、、 における気体のモル体積は とする。アンモニアは理想気体とみなす。
亜鉛 に、濃度 の希硫酸 を加えたところ、次の反応が起こり、どちらか一方がなくなるまで反応が進んだ。
このとき発生した水素 の体積は、、 において何 L か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、原子量は とし、、 における気体のモル体積は とする。水素は理想気体とみなし、水への溶解は無視する。白金電極を用いて水酸化ナトリウム 水溶液を の一定の電流で 1 時間 4 分 20 秒間電気分解した。このとき陽極で発生した気体の体積は、標準状態(、)で何 L か。有効数字 3 桁で求めよ。
ただし、ファラデー定数は 、標準状態の気体 1 mol の体積は とする。流れた電流はすべて電気分解に使われ、発生した気体は水に溶けず、理想気体とみなせるものとする。
陽極に炭素電極、陰極に鉄電極を用いて、塩化ナトリウム 水溶液を の一定の電流で電気分解した。陰極で発生した水素 の体積が、、 で になったとき、電気分解を行った時間は何分か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、ファラデー定数は 、、 における気体のモル体積は とする。流れた電流はすべて電気分解に使われ、陰極では水素だけが発生し、発生した水素は水に溶けないものとする。
酸化マンガン(IV) に過剰の濃塩酸を加えて加熱し、塩素を発生させた。この反応は次の化学反応式で表される。
酸化マンガン(IV) はすべて反応し、発生した塩素はすべて捕集されたものとする。塩素は理想気体とみなし、標準状態(、)での気体のモル体積を 、原子量を , とする。発生した塩素の体積は標準状態で何 か。有効数字 2 桁で求めよ。標準状態(, )で のエチレン を付加重合させたところ、エチレンのうち物質量で が反応し、ポリエチレン が得られた。得られたポリエチレンの質量は何 g か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は , とし、エチレンは理想気体とみなし、標準状態での気体 の体積は とする。また、反応したエチレンはすべてポリエチレンになり、高分子の末端は無視できるものとする。
ある量のアンモニア の気体を、濃度 の希硫酸 にすべて吸収させた。この水溶液に残っている硫酸を、メチルオレンジを指示薬として濃度 の水酸化ナトリウム水溶液で滴定したところ、中和点までに を要した。
吸収させたアンモニアの体積は、標準状態(, )で何 mL か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、アンモニアは希硫酸にすべて吸収されて硫酸と完全に反応し、標準状態における気体のモル体積を とする。また、メチルオレンジの変色域では、生じたアンモニウムイオンは水酸化ナトリウムと反応しないものとする。
プロパン と酸素 を密閉容器に入れて点火し、どちらか一方がなくなるまで反応させた。プロパンは次の化学反応式に従って反応するものとする。
反応後、容器を冷却して生じた水をすべて液体にした。このとき容器内に残っている気体の体積は、標準状態(、)に換算すると何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は 、、 とし、標準状態の気体 の体積を とする。液体の水の体積、水蒸気の量、および気体の水への溶解は無視できるものとする。
ある気体 X の密度は、、 において である。気体 X の分子 個の質量は何 g か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、気体 X は理想気体とみなし、、 における気体のモル体積は 、アボガドロ定数は とする。
窒素 と酸素 が物質量の比 で混合した気体がある。この混合気体 (、)の質量は何 g か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、原子量は 、 とし、気体は理想気体とみなす。、 における気体のモル体積は とする。
濃度 の過酸化水素水 に少量の酸化マンガン(IV) を加え、温度を一定に保ったところ、次の反応が進んだ。
この反応は過酸化水素について一次反応であり、反応開始から 分後に過酸化水素の濃度は になっていた。反応開始から 分後までに発生した酸素の体積は、、 の状態に換算すると何 L か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、気体は理想気体とみなし、、 における気体 の体積を とする。また、溶液の体積変化と酸素の水への溶解は無視できるものとする。
電解槽 A には硝酸銀 水溶液を、電解槽 B には希硫酸 を入れ、どちらにも白金電極を用いた。電解槽 A と B を直列につないで一定の電流を流し、電気分解を行ったところ、電解槽 A の陰極に銀が 析出した。このとき、電解槽 B の陽極と陰極で発生した気体の体積の合計は、標準状態(、)で何 mL か。有効数字 3 桁で求めよ。
ただし、原子量は とし、標準状態の気体 1 mol の体積は とする。流れた電流はすべて電気分解に使われ、発生した気体は水に溶けず、理想気体とみなせるものとする。
マグネシウムとアルミニウムだけからなる粉末の混合物 に過剰の希塩酸を加えたところ、混合物はすべて溶けて水素が発生した。発生した水素の体積は、標準状態(、)に換算して であった。この混合物に含まれるアルミニウムの質量パーセントは何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、水素は理想気体とみなし、標準状態での気体のモル体積を 、原子量を , とする。また、発生した水素はすべて捕集されたものとする。
エタノール とエチレングリコール(1,2-エタンジオール) だけからなる液体の混合物 に、十分な量のナトリウムを加えたところ、すべてのヒドロキシ基がナトリウムと反応し、標準状態(, )で の水素が発生した。もとの混合物に含まれていたエチレングリコールの質量は何 g か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、標準状態における気体のモル体積は とし、水素は理想気体とみなす。原子量は , , とする。
エタノールエチレングリコール炭素・水素・窒素・酸素だけからなる有機化合物 がある。
を完全燃焼させたところ、二酸化炭素 、水 および窒素 が生じ、窒素の体積は標準状態(, )で であった。 に含まれる窒素はすべて になったものとする。
また、 をベンゼン に溶かした溶液の凝固点は、純粋なベンゼンの凝固点より 低かった。 はベンゼン中で電離も会合もしないものとする。
の分子式 における水素原子の数 を求めよ。ただし、ベンゼンのモル凝固点降下は 、標準状態における気体のモル体積は とし、気体は理想気体とみなす。原子量は , , , とする。
空気中の二酸化炭素の割合を調べるために、次の実験を行った。
標準状態(、)に換算して の空気を、濃度 の水酸化バリウム水溶液 にゆっくり通じたところ、空気中の二酸化炭素はすべて吸収され、炭酸バリウム の白色沈殿が生じた。静置したのち、上澄み液 を正確にとり、フェノールフタレインを指示薬として濃度 の塩酸で滴定したところ、中和点までに を要した。
この空気に含まれていた二酸化炭素の体積百分率は何 % か。有効数字 桁で答えよ。ただし、標準状態における気体のモル体積を とし、気体はすべて理想気体とみなす。また、空気中で水酸化バリウムと反応する成分は二酸化炭素だけで、空気を通じたことや沈殿の生成による水溶液の体積の変化は無視できるものとする。
空気中の二酸化炭素 の割合を調べるため、次の実験を行った。
, で体積 の空気を、濃度 の水酸化バリウム 水溶液 にゆっくり通じたところ、空気中の二酸化炭素はすべて吸収されて炭酸バリウム の白色沈殿になった。沈殿が沈んだ後、沈殿を含まないように上澄み液 をとり、フェノールフタレインを指示薬として濃度 の塩酸で滴定したところ、終点までに を要した。
この空気に含まれていた二酸化炭素の体積の割合は何 % か。有効数字 3 桁で求めよ。ただし、気体は理想気体とみなし、, における気体のモル体積を とする。また、二酸化炭素の吸収による水溶液の体積変化や水の蒸発は無視し、空気中で水酸化バリウムと反応する成分は二酸化炭素だけとする。
メタン とエタン だけからなる混合気体がある。この混合気体の体積は標準状態(、)で 、質量は であった。この混合気体に含まれる水素原子の総数は何個か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、原子量は 、、アボガドロ定数は とし、標準状態の気体 の体積を とする。気体はすべて理想気体とみなせるものとする。
メタン とプロパン からなる混合気体 に酸素 を加え、混合気体を完全燃焼させた。燃焼後、生じた水をすべて取り除いたところ、残った気体の体積は であった。燃焼後に反応せずに残った酸素の質量は何 g か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、気体の体積はすべて 、 で測定したものとし、この状態での気体のモル体積は とする。気体は理想気体とみなし、原子量は とする。
アルミニウム の粉末 と酸化銅(II) の粉末 をよく混ぜて加熱したところ、次の反応がどちらか一方がなくなるまで進んだ。
反応後の固体をすべて十分な量の塩酸に加えたところ、気体が発生した。発生した気体の体積は、、 において何 L か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、原子量は 、、 とし、、 における気体のモル体積は とする。塩酸中では、アルミニウムは の反応で完全に溶け、銅は塩酸と反応せず、酸化アルミニウムは気体を発生せずに溶けるものとする。気体は理想気体とみなし、水への溶解は無視する。電解槽 A と電解槽 B を直列につなぎ、一定の電流を流して電気分解を行った。電解槽 A には の硫酸銅(II) 水溶液 を入れ、両極に白金電極を用いた。電解槽 B には十分な量の硝酸銀 水溶液を入れ、両極に白金電極を用いた。電気分解を終えたところ、電解槽 B の陰極に銀が 析出していた。
このとき、電解槽 A の陽極と陰極で発生した気体の体積の合計は、、 で何 mL か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、原子量は とし、、 における気体のモル体積は とする。流れた電流はすべて電気分解に使われ、発生した気体は水に溶けず、理想気体とみなせるものとする。また、電解槽 A の陰極では、溶液中の銅(II)イオンがすべて析出するまでは銅だけが析出し、その後は水素だけが発生するものとする。
銅 と亜鉛 だけからなる合金 に十分な量の希塩酸を加えたところ、気体が発生し、その体積は 、 で であった。反応後に残った固体をすべて取り出して洗い、十分な量の希硝酸に溶かした。このとき発生する一酸化窒素 の体積は、、 で何 mL か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、原子量は 、 とし、、 における気体のモル体積は とする。合金中の亜鉛は希塩酸とすべて反応し、銅は希塩酸と反応しないものとする。また、銅は希硝酸とすべて反応して一酸化窒素だけを発生し、発生した気体は理想気体とみなせ、水に溶けたり空気中の酸素と反応したりしないものとする。
炭酸水素ナトリウム と炭酸ナトリウム だけからなる混合物 を試験管に入れ、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、固体の質量は 減少した。加熱後に残った固体をすべて水に溶かし、十分な量の塩酸を加えたとき、発生する二酸化炭素 の体積は 、 で何 mL か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、原子量は 、、、 とし、、 における気体のモル体積は とする。加熱により炭酸水素ナトリウムはすべて分解し、生じた水と二酸化炭素はすべて試験管から出ていき、炭酸ナトリウムは加熱によって分解しないものとする。また、塩酸を加えたときに生じる二酸化炭素はすべて気体として発生し、水に溶けないものとする。
鉄 と硫化鉄(II) だけからなる混合物に十分な量の希塩酸を加えたところ、混合物はすべて反応し、気体が発生した。発生した気体の体積は、、 で であった。この気体をすべて十分な量の硫酸銅(II) 水溶液に通じたところ、硫化銅(II) の黒色沈殿が 生じた。
はじめの混合物の質量は何 g か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、原子量は 、、 とし、、 における気体のモル体積は とする。発生した気体は理想気体とみなし、希塩酸には溶けないものとする。また、気体中の硫化水素はすべて硫化銅(II) として沈殿し、水素は硫酸銅(II) 水溶液と反応しないものとする。
油脂 B は、グリセリン 1 分子と、ステアリン酸 およびリノール酸 の 2 種類の脂肪酸から得られる 1 種類のトリグリセリドであり、分子中に両方の脂肪酸を少なくとも 1 つずつ含む。油脂 B のヨウ素価(油脂 に付加するヨウ素 の質量を g 単位で表した数値)は であった。
油脂 B に含まれるすべての 二重結合に水素を付加させて飽和させるのに必要な水素 の体積は、標準状態(, )で何 L か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は , , , とし、標準状態の気体のモル体積は 、 1 個には 1 分子または 1 分子が付加するものとする。
この技能の次に学べること
- 化学反応式と量的関係 (高校化学 物質量と化学反応式)
- 水溶液の電気分解とファラデーの法則 (高校化学 酸化還元と電池・電気分解)