原子量の一覧—高校化学で使う元素の値と計算のしかた｜武蔵野個別指導塾

塩素の原子量だけが 35.5 と半端なのはなぜか。H から U まで 50 元素の概数の表に、番号の偶奇で 1〜20 番を出す覚え方と、質量から mol を経て個数や体積へ進む手順を添え、例題で確かめられます。

番号 1〜36 はすべて、37 番から先は高校の問題に出やすい 14 元素を入れて、合計 50 元素です。◎は計算でいちばんよく使う 13 個で、まずはここからです。天然に安定した同位体を持たない元素の多くには決まった原子量が示されないので、118 元素すべてに同じ形の値があるわけではありません。

よくあるのは、化学基礎の定期テストの返却の日に、赤で消された計算を見つめているという場面です。式の立て方は合っています。それなのに塩素を 35 で計算したせいで、答えの 2 桁目がずれて点がもらえませんでした。問題用紙の上の隅には、小さく Cl=35.5 と書いてありました。隣の席の人はもう直しを終えて、教科書を閉じています。どの元素が整数で、どの元素が半端なのか。次のテストまでに 1 枚で見ておきたくなって、帰りの電車で「原子量 一覧」と打ち込みます。そういう日のための表です。

一覧の読み方

左の 3 列は番号と記号と名前です。計算に使うのは 4 列目の概数で、高校の問題はほとんどこの形で進みます。5 列目の細かい値は、概数がどこから来たかを見るための列です。鉄の 55.85 を丸めると 56、ナトリウムの 22.99 を丸めると 23 になります。天然での同位体の割合に幅がある硫黄のような元素は、表によって最後の桁が少し違うことがあります。

値を決めるのは、この表ではなく問題文です。問題用紙に「原子量は H=1.0、C=12、O=16 とする」と書いてあれば、その値で計算します。銅は 64 のほかに 63.5、亜鉛は 65 のほかに 65.4 と指定されることもあり、指定を無視すると答えがずれます。問題用紙を受け取ったら、最初に原子量の行に丸をつけてください。

原子量は何を表す数か

炭素原子 1 個の質量は約 2.0×10⁻²³ g です。このままでは、ゼロの数を追いかけるだけでテストが終わります。そこで、質量数 12 の炭素原子 ¹²C の質量をちょうど 12 と決め、ほかの原子の質量をそれとの比で表します。比なので、原子量に単位は付きません。

もう 1 つ、同じ元素の中にも重さの違う原子が混ざっています。これが同位体で、原子量はそれを天然の割合で平均した値です。図1のように、塩素には質量数 35 の原子が約 75%、質量数 37 の原子が約 25% あります。4 個並べると 35 が 3 個と 37 が 1 個で、(35+35+35+37)÷4=35.5 です。平均はてんびんのつり合う点にあたり、数の多い 35 の側へ寄ります。

細かい割合（75.8% と 24.2%、質量は 34.97 と 36.97）で計算すると 35.45 になり、表の 5 列目と合います。塩素が半端なのは、2 種類がほどよく混ざっているからです。反対に、フッ素、ナトリウム、アルミニウム、リンは天然にほぼ 1 種類の原子しかなく、炭素も ¹²C が約 99% を占めるので、値が整数に近くなります。

分子量と式量

分子量は、分子を作る物質で、中の原子の原子量を全部足した値です。水 H₂O なら 1×2+16=18 です。式量は、分子という粒を作らない物質で使います。イオンからできた塩化ナトリウムは組成式 NaCl で 23+35.5=58.5、金属の鉄は Fe のまま 56 です。イオンそのものも同じように扱い、SO₄²⁻ は 32+16×4=96 とします。電子の質量は原子に比べてごく小さいので、電子の増減は計算に入れません。足し算のしかたは同じで、違うのは物質の種類だけです。

よく出る 24 物質を、計算の式つきで並べます。式を手で書き直すだけで、そのまま足し算の練習になります。

物質量の計算

物質量は、粒の数を 1 ダースのようにまとめて数える量です。6.0×10²³ 個で 1 mol です。こんな半端な個数を使うのは、これだけ集めると、質量がちょうど原子量の数字に g を付けた値になるからです。炭素原子 1 mol は 12 g、水分子 1 mol は 18 g です。この「1 mol あたりのグラム」がモル質量で、原子量、分子量、式量に g/mol を付けたものにあたります。

計算は 3 段で進めます。

1. 化学式から分子量か式量を出し、モル質量にする。
2. 質量をモル質量で割って mol にする。
3. mol に、ほしい量の換算の値を掛ける。粒の数なら 6.0×10²³、標準状態の気体の体積なら 22.4 です。

水酸化ナトリウム 8.0 g なら、式量は 40 なので 8.0÷40=0.20 mol です。含まれる Na⁺ は 0.20×6.0×10²³=1.2×10²³ 個になります。どんな問題も、いったん mol に入れてから出してください。g から個数へ、いきなり飛ぶと掛け算と割り算の向きを見失います。

覚え方

50 個を端から覚える必要はありません。問題文に値が書かれることが多いからです。それでも覚える価値があるのは、頭の中に値があると、分子量を書きながら「水が 20 になるのはおかしい」と自分で気づけるからです。◎の 13 個から始めて 20 番までに広げ、最後に亜鉛や銀のように問題によく出る元素を足します。

1〜20 番は番号から出す

図2の規則を先に入れてください。偶数番の元素は番号の 2 倍、奇数番の元素は番号の 2 倍に 1 を足すと、原子量になります。酸素は 8 番だから 16、マグネシウムは 12 番だから 24。フッ素は 9 番だから 19、ナトリウムは 11 番だから 23。1〜20 番のうち 15 個がこれで出ます。

図2の下の段が、規則から外れる 5 個です。H は 1、Be は 9、N は 14、Cl は 35.5、Ar は 40。20 個を丸ごと覚える代わりに、この 5 個を覚えれば足ります。特に Ar は番号が K の 1 つ前なのに、原子量は Ar が 40、K が 39 と逆転しています。番号の順に値が増えると思っていると、ここでつまずきます。

番号は、よく使われる語呂の「水兵リーベ僕の船、七曲がりシップスクラークか」で 20 番まで出せます。語呂から番号へ、番号から原子量へ。この順に引けば、紙が無くても 20 個が並びます。なお、この規則は化学の法則ではなく、軽い原子では陽子と中性子の数が近いことから来る目安です。重くなるほど中性子が多くなり、鉄は 26 番で 56、銀は 47 番で 108、鉛は 82 番で 207 と、2 倍から離れていきます。

縦に並べて確かめる

周期表の 2 段目と 3 段目で同じ列の元素を比べると、差は 15〜17 に収まります。Li 7 と Na 23、C 12 と Si 28、O 16 と S 32 はどれも 16 の差です。外れるのは Ne 20 と Ar 40 の 20 だけです。Na を忘れても、Li に 16 を足せば答えの見当がつきます。覚えた値が合っているかを、別の道で確かめる手段になります。

21 番から先は意味をつける

21 番から先に、さっきのような規則はありません。ここは自分で意味をつけます。語呂は自分で作ったものがいちばん残るので、鉄球がゴロ（56）ゴロ転がる、銅像にムシ（64）が止まる、といった程度で十分です。銅 64 と亜鉛 65 は周期表で隣どうしなので、1 違いの組にします。銀の 108 は除夜の鐘の回数と同じです。

同じ数字の組で覚える

値が同じものを組にすると、1 つ覚えるだけで 2 つ 3 つ出てきます。28 は N₂ と CO、32 は O₂ と S と CH₃OH、44 は CO₂ と C₃H₈、56 は Fe と KOH と CaO、64 は Cu と SO₂ です。どれも計算問題の常連です。

解きながら思い出す

表を眺める時間は短くて構いません。紙に H₂O、CO₂、NaOH と書いて、表を見ずに値を出し、あとで表と照らします。間違えた元素だけを翌日にもう一度、3 日後にもう一度。目で追っただけの値は、テスト用紙の前で出てきません。思い出そうとして詰まった瞬間が、いちばん頭に残ります。

テストでの出方

定期テストの計算問題は、ほぼ 3 つの型に分かれます。分子量と式量を出す問題、質量と mol と個数を行き来する問題、反応式から量を出す問題です。入試ではこれに濃度や混合物が重なりますが、土台は同じです。下の例題では、原子量を H=1、C=12、O=16、Al=27、S=32、Ca=40 とします。

例題1

硫酸アルミニウム Al₂(SO₄)₃ の式量を求めなさい。

答えは 342 です。SO₄ のかたまりが 3 つあるので、27×2+(32+16×4)×3=54+96×3=54+288=342 と計算します。先に SO₄ の 96 を出してから 3 倍すると、O を 12 個数える手間が消えます。括弧の外の数字が何に掛かるかを見抜けるかどうかを、この問題は試しています。

例題2

グルコース C₆H₁₂O₆ 36 g に含まれる分子の数と酸素原子の数を、有効数字 2 桁で求めなさい。アボガドロ定数は 6.0×10²³ /mol とします。

答えは分子 1.2×10²³ 個、酸素原子 7.2×10²³ 個です。分子量は 12×6+1×12+16×6=180、物質量は 36÷180=0.20 mol です。分子の数は 0.20×6.0×10²³=1.2×10²³ 個です。分子 1 個に O が 6 個あるので、酸素原子は 1.2×10²³×6=7.2×10²³ 個になります。「分子の数」と「原子の数」を並べて聞くのは定番の型で、片方だけ答えて終わると点を半分失います。

例題3

炭酸カルシウム 5.0 g に十分な量の塩酸を加えました。発生する二酸化炭素の質量と、標準状態での体積を有効数字 2 桁で求めなさい。反応式は CaCO₃+2HCl→CaCl₂+H₂O+CO₂ で、標準状態の気体 1 mol の体積は 22.4 L とします。

答えは 2.2 g、1.1 L です。CaCO₃ の式量は 100 なので、5.0÷100=0.050 mol です。反応式の係数を見ると CaCO₃ 1 mol から CO₂ 1 mol ができるので、CO₂ も 0.050 mol です。質量は 0.050×44=2.2 g、体積は 0.050×22.4=1.12 で、有効数字 2 桁なら 1.1 L です。係数が比べているのは mol であって、グラムではありません。5.0 g から 5.0 g ができるとは書けない理由がここにあります。

まちがえやすいところ

割る場面で掛けてしまう

水 9.0 g の物質量を聞かれて、9.0×18=162 mol と書く誤りです。図3のように、mol に入る矢印は割り算、mol から出る矢印は掛け算と決まっています。見直しは答えの大きさでできます。水は 18 g で 1 mol ですから、9.0 g は 1 mol より少ないはずで、162 mol はありえません。正しくは 9.0÷18=0.50 mol です。

図3の下の道、22.4 L は標準状態（0℃、1.013×10⁵ Pa）の気体だけが通れます。水 18 g は 1 mol ですが、液体の水の体積は約 18 mL で、22.4 L にはなりません。問題文で物質の状態と温度を確かめてから、この矢印を使ってください。

括弧の外の数字を落とす

水酸化カルシウム Ca(OH)₂ を 40+16+1×2=58 とする誤りです。₂ は OH のかたまり全体に掛かるので、正しくは 40+(16+1)×2=74 です。差の 16 は、O を 1 個数え落とした分にあたります。ここがずれると、その後の mol の計算まで全部ずれて、1 問丸ごと失います。括弧のある式は、括弧の中を先に計算して余白に書き出すと防げます。

原子と分子を取り違える

「酸素 1 mol の質量は」と聞かれて 16 g と答える誤りです。気体の酸素は O₂ で、分子 1 mol は 32 g です。16 g なのは酸素原子 O の 1 mol です。塩素も同じで、Cl₂ 1 mol は 71 g、Cl 原子 1 mol は 35.5 g です。個数でも同じことが起きます。水素分子 H₂ 1 mol の中にある水素原子は 2 mol で、個数は 1.2×10²⁴ 個です。問題文に出てきた「酸素」や「水素」が原子なのか分子なのか、化学式に直してから足し算を始めてください。

確かめの問題

原子量は上の表の概数を使います。アボガドロ定数は 6.0×10²³ /mol、標準状態の気体 1 mol の体積は 22.4 L とします。

1. 原子量の基準として、質量を 12 と決めた原子は何ですか。
2. 13 番のアルミニウムと 14 番のケイ素の原子量を、図2の規則で出しなさい。
3. ホウ素には質量 10 の原子が約 20%、質量 11 の原子が約 80% あります。原子量を小数第 1 位まで求めなさい。
4. 硫酸アンモニウム (NH₄)₂SO₄ の式量を求めなさい。
5. 標準状態で 5.6 L の酸素の質量を、有効数字 2 桁で求めなさい。

答え

1. 質量数 12 の炭素原子 ¹²C です。
2. Al は奇数番なので 13×2+1=27、Si は偶数番なので 14×2=28 です。
3. 10×0.20+11×0.80=2.0+8.8=10.8 です。表の細かい値 10.81 とほぼ合います。
4. (14+1×4)×2+32+16×4=36+32+64=132 です。
5. 5.6÷22.4=0.25 mol で、酸素 O₂ のモル質量は 32 g/mol なので、0.25×32=8.0 g です。

次に覚える一覧

元素記号の一覧は、この表の記号を読むための土台で、記号があやしいと分子量の足し算が始まりません。化学式の一覧は、足し算の材料になる式そのものを集めたもので、物質量の計算にそのままつながります。化学反応式の一覧は、例題3のように mol を比べる式を増やすためのものです。個別指導では、mol の計算で止まったときに、比や分数の割り算まで戻って確かめます。詰まりの原因は、化学より手前にあることが少なくありません。

まとめ

返ってきた答案の赤い印は、たいてい化学の難しさではなく、35.5 を 35 と書いた一瞬や、割るところで掛けた一筆です。その一筆を止めるのに、50 個の丸暗記はいりません。問題用紙の上の隅に丸をつけ、mol を通り、答えの大きさを疑ってください。塩素の .5 がなぜ半端なのかを人に話せた日、この表はもう暗記の表ではなくなります。