天然のホウ素は、2 種類の同位体 と からなる。 の相対質量を 、天然での存在比(原子の数の割合)を 、 の相対質量を 、存在比を とする。
ホウ素の原子量を、有効数字 3 桁で求めよ。
同位体の相対質量と存在比から原子量を求め、逆に原子量から存在比を求められる()
同じ元素の原子でも、中性子の数が違うために質量数が異なるものがあり、これらを互いに「同位体」といいます。自然界の元素は、ふつう何種類かの同位体が決まった割合(存在比)で混ざっています。この技能では、各同位体の相対質量と存在比から、その元素の平均的な質量である「原子量」を求められるようになります。また逆に、原子量がわかっているときに同位体の存在比を求められるようになります。
原子 1 個の質量はとても小さいので、質量数 12 の炭素原子 1 個の質量をちょうど 12 と決め、これを基準に比べた値で各原子の質量を表します。これを「相対質量」といいます。陽子と中性子の質量はほぼ等しく電子の質量はごく小さいので、相対質量は質量数にほぼ等しくなります(例: は約 35.0)。
自然界の塩素には と が混ざっていて、化学の実験で扱う塩素はいつもこの混ざったものです。そこで、元素の質量の代表値として、同位体の相対質量を存在比で重みをつけて平均した値を使い、これを「原子量」といいます。例えば原子が 100 個あり、そのうち 75 個が相対質量 35.0、25 個が 37.0 なら、1 個あたりの平均は です。つまり存在比を小数(百分率 ÷ 100)で表して掛け、足し合わせれば平均になります。
ここで存在比(小数)の合計は 1 です。逆に原子量がわかっていれば、一方の存在比を 、他方を とおいてこの式に入れ、 についての 1 次方程式を解けば存在比が求められます。
各同位体の相対質量と存在比を書き出す。存在比が百分率(%)なら 100 で割って小数にする
存在比の合計が 1(100%)になっていることを確かめる。存在比を求める問題では、未知の存在比を 、残りを とおく
各同位体について(相対質量)×(存在比)を計算し、すべて足して原子量の式をつくる:
原子量を求める問題ではその値を指定の桁数に丸め、存在比を求める問題では原子量の値と等しいとおいた方程式を解く
塩素には相対質量 35.0 の と相対質量 37.0 の の 2 種類の同位体があり、その存在比はそれぞれ 75.0%、25.0% である。塩素の原子量を有効数字 3 桁で求めよ。
手順 1: 相対質量は 35.0 と 37.0、存在比を小数にすると 、 です。
手順 2: で、合計が 1 になっています。
手順 3: (相対質量)×(存在比)を足すと
手順 4: 有効数字 3 桁で、塩素の原子量は 35.5 です。
答え:
存在比を考えずに相対質量の単純な平均をとってしまう誤り。 とするのは誤りで、正しくは多く含まれる同位体ほど重く数えて 。
存在比の百分率をそのまま掛けてしまう誤り。 とするのは誤りで、正しくは 100 で割って小数にしてから掛ける(または最後に 100 で割る)ので 35.5。
存在比を求めるときに、残りの同位体の存在比を と無関係な値にしてしまう誤り。原子量 35.5 から の存在比 を求めるなら、正しくは を とおいて を解き、(75.0%)。
原子量を、ある 1 つの同位体の質量数と同じものと考えてしまう誤り。塩素の原子量を 35 とするのは誤りで、正しくは原子量は同位体の混ざり方を反映した平均値なので、整数になるとは限らない(塩素では 35.5)。
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。
天然の銅は、同位体 と だけからなるものとする。それぞれの原子の相対質量は と で、原子の数の割合(存在比)は が 、 が である。銅の原子量を有効数字 3 桁で求めよ。
ある塩素の試料は、同位体 と だけからなり、この試料における塩素の原子量は である。 と の相対質量をそれぞれ , とする。
この試料の塩素原子だけからできた塩素分子 の集団を考える。分子をつくる 2 個の原子は、それぞれ独立に上の存在比にしたがって または になるものとする。このとき、塩素分子全体のうち、2 個の原子の質量数の和が である分子の数の割合は何 % か。有効数字 2 桁で答えよ。
ホウ素には同位体 と があり、それぞれの原子の相対質量を と とする。天然のホウ素はこの 2 種類の同位体だけからなり、原子の数の割合(存在比)は が 、 が であるとする。
天然のホウ素 に、 だけからなるホウ素を加えてよく混ぜたところ、混合物のホウ素の原子量は になった。加えた だけからなるホウ素の質量は何 g か。有効数字 2 桁で答えよ。
マグネシウムは同位体 , , だけからなり、それぞれの相対質量を , , とする。マグネシウムの原子量は であり、 と の存在比(原子の数の割合)は等しい。
塩素は同位体 と だけからなり、それぞれの相対質量を , とする。塩素の原子量は である。
塩化マグネシウム の組成式 1 つ分( 原子 1 個と 原子 2 個)を構成する 3 個の原子の質量数の和が であるものは、全体の何 % か。ただし、組成式 1 つ分を構成する各原子は、互いに無関係に上の存在比に従って選ばれるものとする。有効数字 2 桁で答えよ。