密度=質量/体積=モル質量/モル体積(化学基礎)

密度とは、その物質が他の物質に比べて重いか軽いかをしめす値です。

例えば金はアルミニウムよりも密度が大きい。金とアルミニウムを同じ体積(容量)だけ集めたら、金のほうがアルミニウムよりも重いことになる。

密度は質量(重さ)を体積で割った値で定める。金は19.3g/cm3で、アルミニウムは2.7g/cm3であり、確かに金のほうが重いことがわかる。

物質 密度
19.3g/cm3
アルミニウム 2.7g/cm3

金は身の回りにある金属でもとりわけ重い(密度が大きい)。

気体の密度

固体の金属のみならず、気体でも密度は考えられる。例えば窒素は水素よりも密度が大きい。すなわち同じ体積だけ窒素と水素を集めたら、窒素のほうが水素よりも重い。

具体的には、窒素を22.4リットル集めると28gになり、水素を22.4リットル集めると約2gになる。22.4リットル集めたときの質量は

窒素 28g
水素 2g

となる。つまり窒素は水素の14倍も密度が大きい。

モル(mol)ってなに?

1molとは6.02×1023個のこと。いちいち6.02×1023個と書くのもわずらわしいため、化学ではこれを1molという。molをもとにモル質量とモル体積を考えます。

モル質量

モル質量は、物質が6.02×1023個集まったときの質量ですが、これは周期表の各元素の原子量が参考になります。周期表の窒素を見ると14と書いてある。つまり窒素原子が6.02×1023個集まると14gになる。

窒素原子6.02×1023個 → 14g

2つの窒素原子で窒素分子になるから、窒素分子(窒素原子が2個くっついたもの)が6.02×1023個集まると28gになる。

窒素分子6.02×1023個 → 28g

ということで窒素分子1molの質量(モル質量)は28gとなります。同様に水素原子の原子量は1なので、水素分子の1molの質量(モル質量)は2gになる。

モル体積

1molあたりの体積をモル体積といいますが、窒素や水素などの気体はだいたい22.4リットルです。

この22.4リットルという値は0°、1.01Paにおいての値。気体は温度と圧力(気圧)によって体積が大きく変わるので、0°、1.01Paと条件を定めて体積をはかる。この条件における気体のモル体積は22.4リットルになります。

密度、モル質量、モル体積

密度は質量を体積で割ったものでした。

密度=質量/体積

モル質量とモル体積を使って密度を表すと

密度=モル質量/モル体積

となります。

なぜ質量/体積=モル質量/モル体積になるか?

そもそもモル質量は6.02×1023個の質量、モル体積は6.02×1023個の体積だった。

モル質量=分子1個当たりの質量×6.02×1023
モル体積=分子1個当たりの体積×6.02×1023

となるから

モル質量÷モル体積
=(分子1個当たりの質量×6.02×1023個)÷(分子1個当たりの体積×6.02×1023個)
=分子1個当たりの質量÷分子1個当たりの体積

となり、モル質量÷モル体積は密度になることがわかる。

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