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化学の基本

化学の基本は計算です.

基本的な暗記と理論も重要ですが,計算はたいていどの分野でもありますから,計算から逃げていては成績はすぐに頭打ちになります.

化学が苦手な理由は「暗記が苦手」というより「計算が苦手」という方が多いです.

暗記はある程度得点するけど「『質量を求めよ』『体積を求めよ』という問題はとりあえずとばす」という計算問題が苦手な人は,化学が苦手な人に限らず結構います.

暗記が中心となる無機化学を習うことで初めの方で習った計算がすっかり抜けてしまったという人が多いです.それどころか,無機化学で「化学は暗記するもの」と思ってしまい,「計算は二の次」と考えてしまう人もいます.

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しかし,化学の試験では計算問題も少なくない量の配点がありますから,決して「計算は二の次」という意識ではいけないのです.

計算問題の種類

化学の計算問題の多くは大まかに次の2通りに分けられます.

  1. 圧力,温度などが与えられて,公式(ボイル・シャルルの公式やPV=nRT)を使うタイプの計算
  2. 質量,体積などが与えられて,化学反応式を使うタイプの計算

1は化学反応が無関係な計算,2は化学反応が起こったときの計算とも言えます.

公式を使うタイプの計算

浸透圧の計算などの地味なものもありますが,ここでは理想気体絡み計算について書きます.

これは公式が多くないので苦手な人でも,ここは解けるという人も多い分野です.

ボイルの法則とシャルルの法則で何を一定にするのかよく迷っていたのですが,私はボイルの法則は「"boil"で温めてるっぽいけど実は温度一定」と覚え,シャルルの法則は「『シュルルー(シャルルー)』と風船が空気の圧力で飛んでいく音」をイメージして覚えました.

こじつけでもアホみたいな覚え方でも,覚えやすいように覚えてください.

しかし,私はボイルの法則,シャルルの法則,ボイル・シャルルの法則をあまり意識して使いません.

というのは,理想気体の状態方程式PV=nRTさえ覚えていれば,この3つの法則は導けるからです.

まず,この手の問題では気体を温めたり圧縮したりするだけなので,物質量nは変化しません.さらに,Rは定数なのでこちらも変化しません.このことに注意しておきます.

本当はRが定数というのはあとから求めたものなのですが,ここではうるさいことは言わずに進めます.

ボイルの法則

ボイルの法則は温度Tが一定の状態で考えるので,n,RだけでなくTも変化しません.

よって,nRTは変化しません.どれだけPとVを変化させてもnRTは変化しません.つまり,PV(=nRT)は常に同じ値です.

ですから,P,VをP1,V1にしようが,P2,V2にしようが,PVは常に同じ値ですから

P1V1=P2V2

が成り立ちます.

これはボイルの法則です.

シャルルの法則

シャルルの法則は圧力Pが一定の状態で考えるので,n,RだけでなくPも変化しません.

よって,nR/Pは変化しません.どれだけTとVを変化させてもnR/Pは変化しません.つまり,V/T(=nR/P)は常に同じ値です.

ですから,V,TをV1,T1にしようが,V2,T2にしようが,V/Tは常に同じ値ですから

V1/T1=V2/T2

が成り立ちます.

これはシャルルの法則です.

ボイル・シャルルの法則

P,V,Tのどれも一定にはしませんが,nRは変化しません.どれだけPとVとTを変化させてもnRは変化しません.つまり,PV/T(=nR)は常に同じ値です.

ですから,P,V,TをP1,V1,T1にしようが,P2,V2,T2にしようが,PV/Tは常に同じ値ですから

P1V1/T1=P2V2/T2

が成り立ちます.

これはボイル・シャルルの法則ですね.

化学反応式を使うタイプの計算

化学で計算が嫌いな人はこの2でつまずいている人が多いようです.

必ず成り立つこと

まず,基本的な事実ですが,化学反応式では「係数の比=物質量(mol)の比」は必ず成り立ちます.これは本当によく使いますので必ず身につけてください.

具体的に,H2+I2→2HIで考えます.

そもそも,物質量(mol)は個数を表しています.どういうことかというと,12個をひとまとめにして1ダースというように,6.0×1023個をひとまとめにして1[mol]というのです.

また化学反応式は

「1個のH2と1個のI2を反応させると,HIが2個発生する」

という個数の関係を式に直したものです.これは個数が1:1:2であればいいので,

「6.0×1023個のH2と6.0×1023個のI2を反応させると,HIが2×6.0×1023個発生する」

ということと同じです.6.0×1023個のことを1[mol]というのでしたから,

「1[mol]のH2と1[mol]のI2を反応させると,HIが2[mol]発生する」

ということなのです.ですから,「係数の比=物質量(mol)の比」は常に使えます.たとえば,

2[mol]のH2と2[mol]のI2を反応させると,HIが4[mol]発生します.

7[mol]のH2と7[mol]のI2を反応させると,HIが14[mol]発生します.

1.3[mol]のH2と1.3[mol]のI2を反応させると,HIが2.6[mol]発生します.

例題

「あー,なんか『係数の比』って他にも等しいもの合ったりするけど覚えられへんねんな……」

という人がいますが,大丈夫です!むしろ,私は「係数の比=物質量(mol)の比」以外を使うことはオススメしません.

まず,化学反応式から直接的に分かるのは,あくまで物質量(mol)の比なのでまずはmolを出してやればいいのです.

次の問題を考えます.

問)標準状態で5.6[L]のH2を,I2と過不足なく反応させてHIを発生させた.このとき発生したHIの体積を求めよ.ただし,標準状態の気体の体積は22.4[L]であるとする.

この問題を見て,「『係数の比=体積比』って成り立ったっけ?」と考える必要はありません.状況によって変わるので混乱してしまいます.

あくまで「係数の比=物質量(mol)の比」を使います.

[解答]

H2の物質量(mol)は,5.6/22.4=1/4より0.25[mol]である.

よって,化学反応式の係数比からHIは2×0.25=0.5より0.50[mol]発生する.

したがって,HIは22.4×0.50=11.2より11.2[L]発生する.

[解答終]

分かりますね.

一度,H2の体積を物質量(mol)に変換してから,「係数の比=物質量(mol)の比」を使ってHIの物質量(mol)に変換して,体積に変換すればいいのです.

化学反応式において,「係数の比=物質量(mol)の比」はどんな場合でも正しいですから,ガンガン使ってください.

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