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○目次
・数学 ・物理 ・化学 ・文系科目




2009年07月02日

物質量とは?モルとは?

今回は、化学のとっかかりでつまづきやすいところ

物質量」とか「モル」「mol」について、勉強しましょう!



塩酸水酸化ナトリウム水溶液を中和させる反応は、小学校か中学校でやったと思います。二つ混ぜるだけです。


ね。「」ができる、って奴です。

「しお」じゃないですよ、「えん」です。


いや、まあ確かに、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和反応では、「塩(しお)」ができるんですけど

これが勘違いのもとでして


酸と塩基が中和してできるものは、「塩(しお)」とは限りません。


酢酸ナトリウムだったり、塩化マグネシウムだったり、青酸カリだったりします。


で、こういう「酸と塩基が中和してできるやつ」をまとめて「塩(えん)」って呼ぶんですよ。


酸と塩基が中和すると「塩(えん)」ができる。


だから、塩酸と水酸化ナトリウムの反応では


酸と塩基が中和してできる「塩(えん)」として、たまたま「塩(しお)」ができる、っちゅーことです。


…話が横道にそれましたがー


今回はモルの勉強ですね。


ここで断っておきますと、以下、この記事の中では

「塩」と書いたら「塩(えん)」を指すことにします。

で、「塩(しお)」は、「塩化ナトリウム」って書くことにします。ね。化学っぽくなったね。


さて。さて。


塩酸や水酸化ナトリウム水溶液の「濃さ」って、どうやって表すか知ってます?


小学校や中学校で習う「濃さ」つまり「濃度」としては

1グラムの食塩水のうち何グラムが塩化ナトリウムか?」っていう値

つまり

「(溶けてるもの(塩化ナトリウム等)質量)÷(溶液全体の質量)」を計算して、それに×100して%つけた

質量パーセント濃度」をよく使ってたと思います。


さて。ではここで、塩酸と水産間トリウム水溶液を丁度中和させることを考えてみます。

今ここに、質量パーセント濃度1%の塩酸100mlと

同じく質量パーセント濃度1%の水酸化ナトリウム水溶液100mlがあるとします。


同じ濃度で、同じ量。この二つを、混ぜ合わせます。


さて、丁度中和するか、いなか!!


…実は、ちゃんと中和してはくれないんです。


それは、何故か。


この反応を化学反応式で書くと、どうなるか。


塩酸は、塩化水素HClの水溶液です。水酸化ナトリウム水溶液はそのまま水酸化ナトリウムNaOHの水溶液。


なので、中和反応は


HCl+NaOH → NaCl+H2O

です。塩酸に溶けてるHClと、水酸化ナトリウム水溶液に溶けてるNaOHは、同じ数ずつ反応します。

ここで大事なのは、「数」が同じってことです。


さっきの例では、質量パーセント濃度が同じ二つの溶液を、同じ量ずつ混ぜました。

この時、何が同じだったかというと

塩酸に溶けてるHClと、水酸化ナトリウム水溶液に溶けてるNaOHの、「質量」が同じだったんです。つまり、「重さ」が同じだった、っていうこと。


「質量」「重さ」が同じだと、「数」が同じなのか。


実は、1個のHClより1個のNaOHのほうが質量が大きい、つまり重いんですよ。

ちなみにその比率は HCl:NaOH=36.5:40 です。

ということは、同じ「質量」「重さ」のHClとNaOHを混ぜた場合


「数」を比べると、HClのほうが多い
んですよ!



ということはですよ。



「質量パーセント濃度」では、中和反応とかしたいときに、全然参考にならんのですよ!



1リットルの水に、いくつの粒が溶けてるのか」という

「数」に注目した濃度で考えれば


同じ濃度の水溶液を同じ量混ぜれば中和する、とか、考えることができる。



ということで。



数に注目した濃度を作ってみましょう!



58.5グラムの塩化ナトリウムに、ジャーッと水いれて、1リットルにします。家庭でもできそうですね。




このとき、質量パーセント濃度は、5.85パーセント前後になります。


「前後」っていうのは、ここでは温度を指定してないので、1リットルの水の質量が温度によって変わったり、水が食塩水になったことで密度が変わったりといった影響を考慮してってことですがまあここではどうでもいいです。とりあえずね。


では、これを、「数」に注目した濃度で表してみましょう!


塩化ナトリウム58.5グラムには、
大体600000000000000000000000個ずつ、NaとClが含まれてます。

なので、これを1リットルの水に溶かしたとき、その濃度は


約600000000000000000000000個/リットル


と表すことができます!


ね!これでオッケー★



・・・・というわけにはいかないですね。



数が大きすぎます。超絶に、面倒くさい。



表し方をかえて、有効数字も考慮して

6.0×1023個/リットル


としても、まだ若干面倒くさい。

「個/リットル」なんていう単位使ってたら、使うたびにいちいち「×1023」とか書かなきゃいけない。


普通に目に見える量の物質を用意したら、そこには分子とかの粒子が何千垓(せんがい)個っていう規模であるわけですよ。

(ちなみに 1千垓=1023


じゃあ、もっと、便利な単位を用意しよう。


どうすればいいのか。


今、僕の目の前に、カスタードケーキがあります。昨日その辺のスーパーで買ってきた奴です。


このカスタードケーキ、1個1個包装されたものが6個入って一箱です。


一箱買ってくると、それは、カスタードケーキを6個買っていることになる。


6個を一まとめにして、「一箱」と呼んでいる、というわけですね。まあ厳密には「箱」がくっついてくるからちょっと違いますが、まあ、とにかく「ひとまとめにする」っていう感覚をつかんでください。



6千垓個もね、ひとまとめにしちゃえばいいんですよ。


で、「一『箱』」みたいな名前をつけよう。


っていうことで。理由は知りませんが、6千垓個をひとまとめにして「1モル」って呼ぶことにしました。


こうすると、さっきの

約600000000000000000000000個/リットル

の塩化ナトリウム水溶液は、1モル/リットル と表すことができます!

もっとそれっぽく書くなら、

1mol/l


となるわけです。


これを使うと、さっきの塩酸と水酸化ナトリウムの中和も


「同じ濃度の奴を同じ量混ぜる」でちゃんと中和するようになります。


1.0mol/lの塩酸1.0lと、
1.0mol/lの水酸化ナトリウム水溶液1.0lを 混ぜます。


1.0mol/lの塩酸1.0lには、1.0molのHCl


1.0mol/lの水酸化ナトリウム水溶液1.0lには、1.0molのNaOHが入ってます。

個数に直すと、どちらも6.0×1023個、つまり約6千垓個ずつ

これを混ぜると、

HCl + NaOH → NaCl + H2O


の反応により

6千垓個ずつの粒が丁度反応します!


要するにmolってのは、「個数」を表してるんですね!



・・・・さて。



molが個数を表してる、ってことはわかりました。






残る疑問は、何故「1mol」が「6.0×1023」なのか。




これ実は、「原子量」とか「分子量」とか「式量」とか言うあのあれに関係があるんですねー



NaClの式量は58.5です。

理由は、原子量が Na=23 Cl=35.5 だからです。単に、足しただけ。


さて。 気づきました?

上の例で、食塩水作ったときに、58.5グラムの塩化ナトリウムを使いました。


で、そこには6千垓のNaClがある、っつって、それを「1mol」とした。



じゃあ、Na原子を、6.0×1023個集めたら、その質量は何グラムになると思います?
Na=23 ですよ?


・・・答えは、23グラムです。


じゃあC=12 としたら、C原子を1molつまり6.0×1023個集めたら、質量は何グラムになるか?


答えは、12グラムです。


じゃあさらに、O=16 として

CO2を2mol集めたら、質量はどれだけになるか?



12+16×2=44 なので

44グラムです。


もうわかりましたね!



つまり、ある物質を6.0×1023個集めると、丁度その物質の原子量だの分子量だの式量だのに「グラム」をつけた質量になるんです!


なので、その数6.0×1023個を、1molってまとめて呼ぶことにしたわけです。



大体のイメージとしては、陽子か中性子を1mol集めたら1グラムになる、っていう感じ。


では最後に用語を2つ説明しておきます。

アボガドロ定数
6.0×1023 のことです。まあ、厳密にはもうちょっと細かいですが、大体このくらいの値。
単位は「/mol」です。「個/mol」にすればいいのに、なんてふうにも思いますが、「個」はこういうアカデミックなあれの単位には入ってこなさそうな感じもなんとなくしますよねw

物質量
何モルか、ってことです。

問. 58.5グラムの塩化ナトリウムがある。この塩化ナトリウムの物質量はどれだけか。
答え. 1.0mol


〜本日のまとめ〜

「モル」とは、「個数」を表したもので、
1mol=6.0×1023
言い方を変えると、1モルとは6千垓(せんがい)個のこと。

原子量nの原子を1mol集めると、質量の合計はnグラムになる。
posted by 真田正大 at 16:52 | Comment(1) | TrackBack(0) | 物質量、濃度

2009年06月23日

有効数字とは

有効数字についての勉強です!


普通に1024とか書けばいいものを、何故か突然

1.0×103

などと書くわけですね。

しかも、1024のうち「24」はどこいったんじゃ!っつう話ですよ。

それだけでは終わらない。

今まで2cmだったものが、2.0cmになりました。

「.0」って何?wいらないじゃんww



っていう話なんですよ。

2と2.0の何が違うのかと。


まだありますね。

0.01と書けばいいものを

0.010と書いたり。

これも最後の「0」がいらないじゃないかと。言いたくなるわけですよ。

しかも、これも

1.0×10-2

なんて書いたりします。



…さて。


わざわざこんな書き方をするくらいなんだから、もちろん意味があるんですね、実は。



まず一つ目としては、バカでかい数字や、バカ細かい数字を表すために便利です。


例えば、12gの炭素の中に、炭素原子がだいたいいくつあるか、知ってますか?

大体、600000000000000000000000個です。


…読めすらしませんねw

ちなみに、読むと「6千垓(ろくせんがい)」個です。「6兆の1千億倍です。」
まあそれはいいとして。



こんなに0の多い数字ではいちいち書くのも面倒です。


そこで、0の数に注目して、

6.0×1023


と、書くことにしたわけです。

逆に、

0.0000000000000000020m

なんていう距離があったとしたら、やっぱり0が多くて書くのがめんどいので、これを

2.0×10-18m


と書くことにしたわけです。

…ちなみにこれ、普通に読むと「れいてんれいれいれいれいれい…」となりますが

「2刹那(せつな)」と読むこともできます。刹那って、ちょっとかっこいい。


さて。


まだ疑問が解決してませんね。

「×10」ででかい数字やちっちゃい数字を表しやすいことはわかった。



「.0」はいったい何のためについてるのかと!


刹那のとこにでてきた数字、さりげなく少数の最後に0がついてるじゃねぇか!と!





答えから言っちゃいますと


有効数字ってのは、「どの程度までその数字が信用できるのか」を表した書き方なんです。



例をあげます。


上に出てきた「大体6千垓」

大体600000000000000000000000

「大体」って、どのくらいの「大体」なのか、っていう話なんですよ。


つまりね

599999999999999999999995と
600000000000000000000004の間くらいの、割ときっちりした「大体6千垓」なのか

550000000000000000000000と
649999999999999999999999の間ぐらいの、割と大雑把な「大体6千垓」なのか


「大体6千垓」っていう言い方からではわからない
んですよ!




もう1個例をあげましょう。



日本の人口は1億人です。って聞いて、


「へぇーすげぇ!丁度1億人とか!マジすげぇ」


って言う人はあんまりいませんね



ていうか、今この瞬間にも日本のどっかで誰かが生まれて日本のどっかで誰かが死んでるわけで。


人口、変わってるわけで。




ということはですよ、「人口1億人」っていうのは、「約1億人」「大体1億人」ってことなんですよ。アバウトに。



んさてしかし。大体1億人なのはわかったけど



それは


9万9千9百万人〜1億と百万人 くらいの「大体」なのか

5千万人〜1億5千万人 くらいの「大体」なのか

っていう話になってくるわけですよ。


いや、まあ、確かに、どんくらいの大体さなのか、なんて興味ないかもしれないけど


ほら、なんかのアンケート調査してみたりとかさ、携帯電話の普及率調べようとか思ったら、日本の人口を何億何千何百万人くらいの精度で知りたくなってくることもあるでしょうよ。


そしたら、「大体1億」が「実は1億3千万」だった、では困るわけですよ。

だから、「大体1億だけど、1億3千万ってことはないよ。9千9百万〜1億百万人くらいだよ。」っていうことがちゃんとわかるように、示してくれないと、困るわけなのね。



それを示すためにどうすればいいかっていうと

例えば

「大体1億0千0百万人くらい」っていう言い方をすると、1億3千万人なんていう値は違うんだな、っていうのがわかる。





ところで、ここまで話してきてあれなんですけど



日本の人口、「1億3千万」ってのも、聞いたことないですか?


実際、日本の人口は、「大体1億3千万人」なんですよねw(記事投稿時現在)



じゃあ、「人口大体1億人」は間違いじゃないか!



…じつは、そういうことにはならないんですね。


1億3千万人でも、大体1億って言っちゃっていいんじゃないですか?まあ、若干まとめすぎな気もしますが、

大雑把に規模を知りたい時なんかはそれで十分。


ちっちゃい子供に「ニホンってどのくらい人いるのー?お父さんとお母さんとおじいちゃんとおばあちゃんとともちゃんとゆかちゃんとあたしで7人でしょ、あとピアノの先生とさっき道歩いてたおじちゃんと…」って聞かれたら


答えの精度は「ううん。もっとすごくたくさん住んでるんだよ。大体1億人くらいだよ。」で十分でしょう。まあ、その子が1億っていう数字を知ってるとしたらですけどw




つまり

最初に言った「大体1億」は、何を四捨五入したものかって考えると

「5千万人丁度〜1億4999万9999人」の範囲を指して「大体1億」っていうことだったんですね。



同様に、1億3千万は

1億2500万人丁度〜1億3499万9999人 を指してるんだと思います。

でも実は、「大体1億3千万」っていう言い方からは、そうとは限らなくて

1億2950万人丁度〜1億3049万9999人 を指してる可能性も残ってるんですよ。


もちろん、

1億2999万9995人〜1億3千万4人 を指してる可能性もある。

…いやまあありえないだろうけどさ。誤差4,5人以内なんて。
でも、「大体1億三千万」っていう言い方からは、その可能性も一応ね、あるっちゃある。



じゃあ、その辺の精度をちゃんとわかるようにするには、どうしたらいいのか


その答えが「有効数字の表し方」なんです!


日本の人口の例でいきますと

「1億2500万人丁度〜1億3499万9999人」っていう精度を表したかったら

1.3×108人 って書きます。「×」の左側にある、具体的に数値を表してる部分が2桁なので「有効数字2桁」といいます。

これに対して

「1億2950万丁度〜1億3049万9999人」っていう精度を表したかったら

1.30×108 って書きます。これは「有効数字3桁」です。


ちょっと数字が大きすぎてわかりにくいと思うので別の例をあげますと


あるライブの会場で、アーティストが

「今日は、俺らのライブ見に、600人も集まってくれて、どうもありがとう!」

とか言ったとしますよね


はたしてこの600人は正確に丁度600人だったのでしょうか?


これがもし、550〜649人っていう精度だった場合

有効数字1桁で
6×102人 って書くわけです。

595〜605人っていう精度だった時は

有効数字2桁で
6.0×102人 って書くわけです。


…わかりました?





まあライブでアーティストが舞台上で言った人数がどのくらい正確か、なんてことは割とどうでもいいかもしれませんが


これが物理や化学での、実験の測定値だった場合、どのくらい正確なのかはちゃんとわかってないと、困っちゃうわけですよ。



何気なく「0.8グラム」とか言われても、

・それが多少大雑把に0.85グラムくらいまで含んでるのか、
・0.8005グラムくらいまでしか含まない正確さを誇るのか、

ちゃんとわかってないと困る。

だから、前者の場合は、有効数字1桁で
8×10-1グラム

後者の場合は、有効数字3桁で
8.00×10-1グラム

っていうふうに書いて、どのくらい正確な値なのかを表すわけです!


ちなみにこの表し方

2.0×102って

別に 0.20×103 でも一緒の値を表してますね。

じゃあ、どっちでもいいのか!っていう話なんですが

基本的に、「×」の左側にある数字は、1以上10未満、っていうのが慣例になってます。

なので、2.0×102ってあらわすようにしましょう!この場合、有効数字2桁です。


ちなみにこれ、実は、0.20×103とあらわしても、精度は変わらないので有効数字2桁です。

頭にくっついてる0は、有効数字としてみなされないんです。

だって、それも有効数字とみなしちゃったら、

0.00020×106にすれば、有効数字6桁になっちゃう。でも、6桁分の精度になったわけじゃないですよね。

6桁分の精度にするためには、2.00000×102になってくれなきゃいけない。


なので、有効数字は、0以外の数字が最初にきたところから桁数を数え始めるようにしましょう。

以上!


〜今回のまとめ〜
数字がどのくらいの精度を持ってるのか、をあらわすために、有効数字の桁数がはっきりわかる表し方を使う。
posted by 真田正大 at 23:59 | Comment(1) | TrackBack(0) | 物理全般