第3講
原子質量
共有結合は、非金属原子が化学的に結合してできる物質です。 ほとんどの化合物は原子組成が決まっている。 物質の式は、その原子組成を特定する。 例えば、単糖であるグルコースはC6H12O6という式を持っている。 これは、グルコース1分子中に、6個の炭素原子が12個の水素原子と6個の酸素原子と結合していることを意味します。 理論的には、元素のC、O、Hを正しい割合で組み合わせれば、グルコース分子を作ることができる。 炭素は、最も一般的な状態では、固体であるグラファイトとして存在します。 酸素は2原子気体分子O2として存在し、水素は2原子気体H2として存在する。
検出可能な最小の黒鉛の斑点は、約1×1016個の炭素原子を含むので、単一の原子の重さを測ることはできないだろう。 そこで、炭素原子1個の質量を値付けすることにしたのです。 定義上、12C（陽子6個、中性子6個の炭素）の原子質量は12amu（原子質量単位）となっています。 しかし、炭素の原子量を表で調べると、12.01amuと表示される。 これは、炭素がさまざまな同位体として存在するためです。 炭素の最も一般的な同位体は12Cと13C（陽子6個、中性子7個）である。 13Cのamuは13.00335amuであると決定されている。 12Cより重いのは、中性子が1個多いためで、中性子の質量が陽子よりわずかに大きいからである。 12Cは13C（1.10％）より豊富（98.9％）なので、Cの表示質量は13.00335より12（12.01）に近くなっているのです。 原子質量は、天然に存在する炭素の平均的な原子質量を示しています。 3857>
C の平均原子質量 = (.9890)(12 amu) + (.01100)(13.00335) = 12.01 amu
12.01 amu の質量を持つ実際の炭素原子は存在しない。 ほとんどの炭素原子の原子質量は12amuで、13.00335amuの原子質量を持つものは少数である。 Hの原子質量は1.0079amu、Oの原子質量は15.9994amuと決定されています。 これも、これらの元素の一般的な同位体の平均値である。
アボガドロ数とモル質量
さて、これで元素の相対質量の測定ができました。 これをどうにかしてグラムに換算し、実際に測定できる単位にすることが実用的です。 元素の最小のサンプルでさえ、膨大な数の原子を含んでいる。 そこで、非常に多くの原子を表す特別な単位があると便利である。 この単位はモルと呼ばれ、SI量の単位となっている。 紙は1束（500枚）、卵は1ダース（12個）で売られ、原子や分子はモル単位で計られます。 モルとは、ちょうど12グラムの12Cに含まれる12C原子の数として定義されます。 この数は実験的に6.022×1023と決定されており、アボガドロ数（NA）と呼ばれている。
6.022 x 1023atoms 12C = 12 g 12C
1 atom 12C = 12 amu
6.022 x 1023atoms = 1 mol atoms
この換算係数で、12C単体の質量は求めることができる。
12g 12C 6.022 x 1023 atoms = 12 g/mol = 12Cのモル質量
6.022 x 1023atoms 1 mol
すべての元素の原子質量は、アミューで表わされています。 この数字は、各元素のモル質量（g/mol）でもあります。
ですから、12.01 g の炭素のサンプルを計量した場合、そのサンプルには 6.022 x 1023個の炭素の原子が含まれていることになります。 グルコース(C6H12O6)の式から、H原子はC原子の2倍必要であることがわかります。 12.01gの試料には1moleの炭素原子が含まれています。 したがって、H原子は2モル必要です。 H原子は何グラムになるでしょうか？ amuとグラム/モルとの換算係数を使えばよいでしょう。
2mol H 1.0079 g H = 2.0158 g H
mol H
どれくらいの酸素が必要でしょうか？ 式から、炭素1モルに対して酸素が1モル必要であることがわかります。 ですから、1モルの酸素が必要です。
1mol O 15.9994g O = 15.1molの酸素が必要です。9994g O
mol O
出発材料の重さは12.01g + 2.0158g + 15.9994g = 30.03g となる。
これはこれらの元素から作れるブドウ糖の質量ともなる。 3857>
グルコース1分子（C6H12O6）の質量は、その元素の原子質量の和となる。
6 x 12.011 (C の amu) + 12 x 1.0079 (H の amu) + 6 x 15.9994 (O の amu) = 180.157 amu
180.157 amu = 180.157.0.0.0(0)。157 g/mol
30.となる。03 g グルコース 1 mol グルコース = 0.1667 moles of glucose
180.157 g glucose
0.1667moles glucose 6.022×1023molecules glucose = 1.1667molのglucoseがある。004 x 1023分子のグルコース
molグルコース
パーセント組成
物質の組成を記述する別の方法はそのパーセント組成、質量によって、その物質中の元素の割合で表現することである。 これは実験的に得られる情報であり、後述する化合物の経験式を導き出すのに利用される。 とりあえず、亜硝酸ナトリウムNaNO2のパーセント組成を求めることで、パーセント組成の意味を定義してみましょう。 まず、モル質量を計算します：
モル質量= 1 mol Na (22.99 g/mol)
+1 mol N (14.01 g/mol)
+2 mol O (16.00 g/mol)
69.00g/mol NaNO3
そして元素のパーセント成分は次のようになります：
% Na = 22.00 g/mol (3859>NaNO2)。99g×100％＝33.32％＜3857＞＜4549＞69.00g＜3857＞＜4549＞％N＝14.01g×100％＝20.30％＜3857＞＜4549＞69.00g＜3857＞％O＝32.00g×100％＝46.38％＜3857＞＜4549＞ 69.00g この方法で不明物質の式は求めることができる。
未知の化合物を分析したところ、次のような組成比を示した：
40.92 %炭素、重量
4.58 %水素、重量
54.50% oxygen, by weight
まず、ある量のtheunknownを、例えば100g扱っていると仮定します。
40.92 % = 0.4092 x 100 g = 40.92 g of C
4.58 % = 0.058 x 100 g = 4.58 g of H
54.50 % = 0.5450 x 100 g = 54.50 g O
原子は質量ではなくモル単位で結合するので、これらの元素のグラムを異なる元素のモルに変換する。
40.95g C 1 mol C = 3.407 mol C
12.01 g C
4．58g H 1 mol H = 4.54 mol H
1.008 g H
54.5g O 1 mol O = 3.406 mol O
16.00 g O
これらの数値は、化合物の3元素それぞれの相対モル数である。 3857>
C3.407 H4.54O3.40
ただし、分数の原子ではなく、全原子が結合して分子を形成しています。 そこで、それぞれの係数を一番小さい係数3.406で割ってみましょう。 3857>
CH1.333O
まだ分数の添え字がある。 1.333を全体の数に変換する係数を求めよ。
1.333 x 1 = 1.333
1.333 x 2 = 2.666
1.333 x 3 = 4.000
1.333 x 4 = 5.5.333
ここで、すべての添え字にこの係数を掛けます：
C3H4O3
これは経験式と呼ばれ、この分子の各原子の種類の相対数を教えてくれます。 つまり、この分子は
C3H4O3
C6H8O6
C9H12O9
つまり、(C3H4O3)n
経験式の質量は、(C3H4O3)となる。 3(12.01 g/mol C)
+4(1.008 g/mol H)
+3(16.00 g/mol O)
88.06 g/mol
つまり分子質量はこの数値の何倍かになるのである。 分子量が176.12g/molと言われれば、分子式が求まります。
(C3H4O3)n =176.12 g/mol
(C3H4O3) = 88.06g/mol
(88.06)n = 176.12
n = 2
つまり分子式はC6H8O6ということになりますね。
これらの計算の最も一般的な使用法は、未知の化合物を燃焼させて生成される生成物から、新規または未知の化合物の経験質量を決定することです（燃焼反応）。 この反応では、化合物中のすべての炭素が二酸化炭素であるCO2に変換される。 化合物中の水素はすべてH2O（水）に変換されます。 このCO2とH2Oの質量を慎重に測定し、経験式にする。
未知の化合物11.5gを燃焼させ、22.0gのCO2と13.5gのH2Oを生成する。 この化合物の経験式は何であるか。
CO2の炭素はすべて試料に含まれていたものである。
22.0 g CO2 mol CO2 1 mol C = 0.500 moles C
44.01 g CO2 1 mol CO2
水中の水素はすべて未知のものから来ましたので、13.5 g の水素のモル数 を計算します。3857>
13.5 g H2O 1 mol H2O 2 mol H = 1.50 moles H
18.03 g H2O 1 mol H2O
また、CO2とH2O中の酸素が未知から来たのか、燃焼反応で使った環境酸素なのか判断しなければならない。 3857>
massunknown = mass hydrogen + masscarbon + massoxygen
masshydrogen = 1.50 mol H 1.0079 g H = 1.50molH、1.0079gH = 1.51 g H
1 mol H
質量炭素= 0.500 mol O 12.011 g C =6.00 g O
1 mol C
massunknown = 11.5 g = 1.51 g + 6.00 g + massoxygen
massoxygen = 4.0 g
ですから、4.0 gの酸素がtheunknownから来たのでしょう。 これを酸素のモル数
4.0 g O 1 molO = 0.25 moles O
15.9994 g O
さて、未知の物質の経験式が決まりそうです。 まず、計算したモル数を式に代入します：
。