技能一覧 › 高校化学 物質量と化学反応式

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

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  1. 原子・分子と化学式 (中学理科 化学分野の用語と知識)
  2. 原子量・分子量・式量 (高校化学 物質量と化学反応式)
  3. 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

  1. 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)

  2. 質量から体積を求めるときは、まず物質量を で求める

  3. 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

  4. 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

  5. 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

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

この技能の次に学べること