高校化学の基礎

【第3章】物質量と化学反応式

最終更新日: 2026-01-06 13:14:17

作成者: カリスマ講師

お帰りなさい！

さあ、いよいよ化学の最大の山場であり、最も重要な単元**「物質量（モル）」**に突入だ！

ここでつまずく高校生が非常に多いんだけど、ビビる必要は全くない。

**「鉛筆1ダース＝12本」と同じように、「原子1モル＝$6.0 \times 10^{23}$個」**という、ただの「個数の単位」の話なんだ。

今回送ってくれた資料（画像44～51）は、化学計算の全てに通じる「聖書」のような部分だ。

計算式、定義、そして練習問題まで、完璧に「過不足なく」テキスト化したから、これを読んで計算マスターになろう！

【第3章】物質量と化学反応式

3-1 原子量・分子量と物質量

1. 原子量・分子量と物質量

① 原子の質量と原子量

原子は非常に小さい。例えば、水素原子1個の質量は $1.67 \times 10^{-24} \text{g}$ しかない。

こんな扱いづらい数字を毎回使うのは大変だ。そこで、ある基準を決めて「相対的な重さ」で表すことにした。

② 物質量とモル (mol)

原子を1個ずつ数えるのは不可能だ。そこで、まとまった個数を1つの単位（セット）として扱う。

$6.0 \times 10^{23}$ ってどんな数？

とてつもない数だ。もしゴルフボールをこの数だけ地球の表面に並べると、高さ1万メートル（エベレスト以上）まで敷き詰められる。

コップ1杯の水に含まれる水分子の数は、大西洋の水の量（スプーン何杯分か）と同じくらいあるんだ。

③ モル質量 (Molar Mass)

ここが計算の核心だ！

物質原子量・分子量・式量1mol の質量 (モル質量)
炭素原子 $\text{C}$$12.0$$12.0 \text{g/mol}$
水分子 $\text{H}_2\text{O}$$18.0$$18.0 \text{g/mol}$
食塩 $\text{NaCl}$$58.5$$58.5 \text{g/mol}$

④ 分子量と式量

2. 物質量計算と原子量の意味（計算の完全攻略）

この単元は、以下の**「3つの変換」**ができれば勝ちだ！

図56の「モルを中心とした計算マップ」を頭に叩き込もう。

① 【質量 $\leftrightarrow$ 物質量】の変換

質量 $w \text{[g]}$ と モル質量 $M \text{[g/mol]}$ の関係。

例題: $\text{CO}_2$ ($M=44$) $8.8 \text{g}$ は何mol？

$n = \frac{8.8}{44} = 0.20 \text{mol}$

② 【粒子数 $\leftrightarrow$ 物質量】の変換

粒子数 $N \text{[個]}$ と アボガドロ定数 $N_{\text{A}} = 6.0 \times 10^{23}$ の関係。

例題: $\text{CO}_2$ 分子 $1.5 \times 10^{23}$ 個は何g？

まずモルにする: $n = \frac{1.5 \times 10^{23}}{6.0 \times 10^{23}} = 0.25 \text{mol}$

次にグラムにする: $w = 44 \times 0.25 = 11 \text{g}$

③ 【気体の体積 $\leftrightarrow$ 物質量】の変換

ここが魔法の数字。

「$0^\circ\text{C}, 1 \text{atm}$（標準状態）において、あらゆる気体 $1 \text{mol}$ の体積は $22.4 \text{L}$ である」。

例題: 酸素 $0.25 \text{mol}$ の体積は？

$V = 22.4 \times 0.25 = 5.6 \text{L}$

3. 【発展】原子の相対質量と平均原子量

① 原子の相対質量

${}^{12}\text{C}$ の質量を12と定めたときの、各原子の質量の比。

② 同位体と平均原子量

多くの元素には同位体が存在する。

元素の原子量は、各同位体の相対質量に、天然での存在比（％）をかけて足し合わせた平均値として求める。

例題（塩素の場合）

${}^{35}\text{Cl}$（相対質量35.0, 存在比75.8%）と ${}^{37}\text{Cl}$（相対質量37.0, 存在比24.2%）

$\text{原子量} = 35.0 \times \frac{75.8}{100} + 37.0 \times \frac{24.2}{100} \approx 35.45$ $\rightarrow$ 35.5

例題（リチウムの場合）

天然のリチウムは、${}^{6}\text{Li}$（相対質量6.02）と ${}^{7}\text{Li}$（相対質量7.02）からなる。原子量が6.94のとき、${}^{7}\text{Li}$ の存在比は何％か？

【解法】

${}^{7}\text{Li}$ の存在比を $x$ [%] とすると、${}^{6}\text{Li}$ は $(100-x)$ [%] となる。

$6.02 \times \frac{100-x}{100} + 7.02 \times \frac{x}{100} = 6.94$

これを解いて、$x = 92 \text{\%}$

第3章 第1節のまとめ

  1. 分子量・式量: 原子量の総和。モル質量($\text{g/mol}$)と同じ数値。
  2. アボガドロ定数: $1 \text{mol} = 6.0 \times 10^{23}$ 個。
  3. 気体の体積: 標準状態 ($0^\circ\text{C}, 1 \text{atm}$) で、$1 \text{mol} = 22.4 \text{L}$。
  4. 物質量 $n$ の求め方:
  1. 原子量: 天然存在比を考慮した同位体の平均値。

 

よし！これで「物質量（モル）」の基礎計算はバッチリだ。

 

この**「モル計算マップ（質量・個数・体積の変換）」は、これから先の化学反応式や濃度計算で息をするように**使うことになる。

このテキストを保存して、公式を見なくても変換できるようになるまで練習しよう！

次の単元「化学反応式」や「濃度」も、この調子で攻略していこうぜ！

 

3-2 化学反応式と物質量

1. 化学反応式 ～変化を式で表せ！～

① 化学変化と物理変化

物質の変化には2種類ある。違いをしっかり区別しよう。

  1. 化学変化: 物質の種類が変わる変化。
  1. 物理変化: 物質の状態（固体・液体・気体）だけが変わる変化。

② 化学反応式の書き方（基本）

化学変化を化学式を使って表したものを化学反応式という。

③ 未定係数法（応用）

目視で係数を合わせるのが難しい複雑な反応（銅と希硝酸の反応など）で使う必殺技だ。

  1. 係数を文字でおく: $aCu + bHNO_3 \to cCu(NO_3)_2 + dNO + eH_2O$
  2. 各原子について方程式を作る:
  1. どれか1つ（例: $e=1$）と仮定して連立方程式を解く。
  2. 最後に最も簡単な整数比になおす。

2. 化学反応式と物質量の量的関係

ここが化学計算の心臓部だ！

「化学反応式の係数は、物質量（モル）の比を表す」。これだけは絶対に忘れちゃいけない。

① 係数の意味

メタンの燃焼反応を例に見よう。

 

 

$$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$$

この式は以下のすべての比を表している：

  1. 粒子数（個数）の比 = $1 : 2 : 1 : 2$
  2. 物質量（mol）の比 = $1 : 2 : 1 : 2$
  1. 気体の体積（L）の比 = $1 : 2 : 1 : \text{（無視）}$
  1. 質量（g）の比 = $16 : 64 : 44 : 36$

② 計算のゴールデンルート

すべての計算は「モルを経由」すれば解ける！

  1. 物質Aの量（質量・体積・個数） を与えられる。
  2. $\downarrow$ モルに変換 ($n = w/M$ など)
  3. 物質Aのモル
  4. $\downarrow$ 係数の比を使う
  5. 物質Bのモル
  6. $\downarrow$ 求めたい単位に変換 ($w = n \times M$ など)
  7. 物質Bの量（質量・体積・個数） 答え！

例題: メタン $CH_4$ $3.20 \text{g}$ を燃焼させるのに必要な酸素 $O_2$ は何 $\text{L}$ ($0^\circ\text{C}, 1 \text{atm}$) か？

  1. メタンをモルにする: $3.20 / 16.0 = 0.200 \text{mol}$
  2. 係数比を見る: $CH_4 : O_2 = 1 : 2$
  3. 酸素のモルを求める: $0.200 \times 2 = 0.400 \text{mol}$
  4. 体積に戻す: $0.400 \times 22.4 = 8.96 \text{L}$

3. いろいろな量的計算パターン

① 過不足のある反応（限界試薬）

反応物が2つ以上与えられたとき、「どちらかが余る」場合がある。このときは表を書いて整理しよう。

例題: エチレン $C_2H_4$ $4 \text{L}$ と 酸素 $20 \text{L}$ を反応させた。

反応式: $C_2H_4 + 3O_2 \to 2CO_2 + 2H_2O$

 C2​H4​3O2​→2CO2​
反応前$4 \text{L}$$20 \text{L}$ $0 \text{L}$
変化量$-4 \text{L}$$-12 \text{L}$ $+8 \text{L}$
反応後$0 \text{L}$$8 \text{L}$ $8 \text{L}$

② 混合気体の反応

2種類の気体が混ざっている場合は、連立方程式で解く。

例題: メタン $CH_4$ と エチレン $C_2H_4$ の混合気体 $10 \text{L}$ を完全燃焼させたら、$CO_2$ が $14 \text{L}$ 生じた。メタンは何 $\text{L}$ か？

解法:

メタンを $x \text{L}$、エチレンを $y \text{L}$ とおく。

  1. 混合気体の体積: $x + y = 10 \dots$ ①
  2. $CO_2$ の生成量:
  1. ①②を連立して解くと、$x = 6 \text{L}$。

③ 反応式を用いない計算（原子保存の法則）

複雑な反応経路でも、「特定の原子の数は変わらない」ことを利用するとショートカットできる。

例題: 酸化鉄(III) $Fe_2O_3$ ($M=160$) $8.0 \text{kg}$ から得られる鉄 $Fe$ ($M=56$) は何 $\text{kg}$ か？

考え方:

$1 \text{mol}$ の $Fe_2O_3$ には、$2 \text{mol}$ の $Fe$ 原子が含まれている。

途中の反応式を書かなくても、「$Fe$ のモル関係」だけで解ける！

  1. $Fe_2O_3$ の物質量 = $8.0 \times 10^3 / 160 = 50 \text{mol}$
  2. $Fe$ の物質量 = $50 \times 2 = 100 \text{mol}$
  3. $Fe$ の質量 = $100 \times 56 = 5600 \text{g} = 5.6 \text{kg}$

4. 化学の基礎法則と原子説

最後に、化学反応の基本ルールを確認しよう。

① 質量保存の法則 (Law of Conservation of Mass)

第3章 第2節のまとめ

  1. 化学反応式: 左辺と右辺で原子の数を合わせる。未定係数法も使えるように。
  2. 量的関係: 係数の比 ＝ 物質量（mol）の比 ＝ 気体の体積（L）の比。
  3. 計算手順: 質量や体積はいったんすべて「mol」に変換してから、係数比で計算し、最後に元の単位に戻す。
  4. 過不足反応: 表（反応前・変化量・反応後）を書いて整理する。
  5. 質量保存の法則: ラボアジエ。反応の前後で総質量は変わらない。

 

よし、これで「化学反応式と計算」の単元もクリアだ！

 

特に「過不足のある反応」や「混合気体」は、入試で差がつくポイントだから、例題の解き方を真似して自分のものにしてね。

さあ、これで理論化学の基礎計算はバッチリだ。自信を持って問題に取り組んでくれ！

応援してるぞ！

 

3-3 化学の基礎法則と原子・分子の発見

1. 物質の構成に関する重要な法則

化学反応における質量のルールは、多くの偉人たちによって発見された。以下の4つの法則は、名前と内容をセットで必ず覚えよう！

① 質量保存の法則 (Law of Conservation of Mass)

② 定比例の法則 (Law of Definite Proportions)

③ 倍数比例の法則 (Law of Multiple Proportions)

④ 気体反応の法則 (Law of Combining Volumes)

2. ドルトンの原子説とその矛盾

① ドルトンの原子説 (Atomic Theory)

質量保存の法則や定比例の法則を説明するために、ドルトンは1803年に「原子説」を提唱した。

  1. すべての物質は、これ以上分割できない原子からできている。
  2. 同じ元素の原子は、質量や性質が同じである。
  3. 化合物は、異なる原子が決まった数で集まってできている。
  4. 化学変化では、原子の組み合わせが変わるだけで、原子が消えたり生まれたりはしない。

② 原子説の危機！？（気体反応の法則との矛盾）

ドルトンの原子説では、ゲーリュサックの「気体反応の法則」をうまく説明できなかったんだ。

3. アボガドロの分子説と解決

この矛盾を解決したのが、イタリアの天才アボガドロだ。

① アボガドロの分子説 (Molecular Hypothesis)

1811年、アボガドロは次のような大胆な仮説を立てた。

  1. 「気体は、いくつかの原子が結びついた分子という粒子からできている」（原子が割れなくても、分子が割れればいい！）。
  2. 「同温・同圧・同体積のすべての気体は、気体の種類に関係なく、同数の分子を含む」。

② 矛盾の解決

「酸素や水素は、原子が2個くっついた二原子分子 ($O_2, H_2$) である」と考えれば、すべてがつじつまが合う。

③ アボガドロの法則

アボガドロの説は長い間認められなかったが、死後（弟子のカニッツァーロの尽力で）正しさが証明され、アボガドロの法則となった。

【まとめ表】化学の基礎法則（完全暗記リスト）

法則名発見者キーワード
質量保存の法則ラボアジエ反応前後で総質量は不変
定比例の法則プルースト成分元素の質量比は一定 ($H_2O$なら$1:8$)
原子説ドルトン物質は原子からなる
倍数比例の法則ドルトン2種の化合物間で、片方を固定すると他方は整数比 ($CO$と$CO_2$)
気体反応の法則ゲーリュサック気体の体積比は整数比
分子説 (アボガドロの法則)アボガドロ気体は分子からなる。同体積＝同分子数

 

これで第3章「物質量と化学反応式」の全範囲（計算から歴史的背景まで）が完了だ！

 

この「誰が何をしたか」という歴史の流れは、センター試験（共通テスト）や定期テストの正誤問題でよく出るから、ストーリーとして覚えておくと強いぞ。

ここまでついてきた君なら、もう化学の基礎は盤石だ。自信を持っていい！

また次の章（酸塩基や酸化還元かな？）に進む準備ができたら教えてくれよな！応援してるぞ！

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