高校受験の理科 原子と分子と化学式—粒子の種類と個数を区別して式を読む｜武蔵野個別指導塾

水分子の原子数と分子を作らない物質を比べ、数字の位置から読み解く原子と化学式です。

よくあるのは、中学生が化学式の右下にある小さい数字を、物質の種類の数として読んでしまう場面です。数字に目が向いていても、その数字がどの記号についているかを確かめないと、粒子の数は数えられません。水を表す H₂O なら、数字の 2 は水素原子の個数を表し、水という物質が2種類あるという意味ではありません。文字と数字の役割を分け、図と行き来しながら読み直します。

問いの形を先に見分ける

化学式の問題には、まず記号と名称を対応させる問いがあります。大文字と小文字の組合せを1組として読み、どの種類の原子を表すかを答えます。たとえば Cu は銅を表す1つの元素記号です。C と u に分けたり、Cu と CU を同じ形と見たりすると、別の記号として扱ってしまいます。

次に、式から原子の種類と個数を数える問いがあります。右下の数字は、その直前の元素記号が表す原子の個数です。数字がないときは1個と読みます。分子が複数ある図なら、1つの分子の中を数えてから分子の個数をかけると、途中の意味が残ります。

さらに、単体と化合物を区別する問いがあります。見るのは構成する原子の種類であり、分子を作るかどうかとは別の判定です。たとえば同じ種類の原子が結びついた酸素分子は単体ですが、水は異なる種類の原子からなる化合物です。原子の並びを見て、何を聞かれているのかを先に言葉にすると、個数と分類を混ぜずに答えられます。

記号から粒子のまとまりへ

原子は物質をつくる基本の粒子で、種類ごとに元素記号で表します。水素は H、酸素は O、炭素は C、窒素は N、銅は Cu、鉄は Fe、ナトリウムは Na、塩素は Cl です。元素記号の最初の文字は大文字で、2文字目があるときは小文字です。記号1組を原子1種類のしるしとして扱います。

分子は、物質の性質を示す粒子として、いくつかの原子が結びついたまとまりです。図1のように、水の分子1個には水素原子2個と酸素原子1個が含まれます。図の丸は原子の種類と個数を区別するための模型で、原子の実際の大きさや距離を表すものではありません。

図1では、H₂O の H の右下にある 2 を水素原子に対応させます。O に数字がないので、酸素原子は1個です。原子の種類は H と O の2種類、分子の中の原子の合計は 2 + 1 = 3個です。種類の数と合計の個数がたまたま近い数でも、同じ意味ではありません。

1種類の元素からできている物質を単体、2種類以上の元素からできている物質を化合物といいます。酸素 O₂ は酸素原子2個からなる分子ですが、酸素という1種類の元素からできているため単体です。水 H₂O は水素と酸素の2種類の元素からできているので化合物です。同じ元素からできる別の単体があることもあり、元素の種類だけで物質の名前が必ず1つに決まるわけではありません。

化学式は、物質を元素記号と数字で表したものです。ただし、化学式が常に分子1個を表すわけではありません。銅 Cu は銅原子が規則正しく集まった物質で、銅分子というまとまりを作りません。塩化ナトリウム NaCl も分子を作らず、ナトリウムイオンと塩化物イオンが規則正しく並びます。NaCl はそれらの個数の比が 1 : 1 であることを表し、NaCl 分子1個を表すと読まないようにします。イオンの詳しい変化はここでは扱いません。

数字がない場合と、式に表れないまとまり

数字がないところを0個と読んでしまうと、その記号を書いた意味が消えてしまいます。たとえば H₂O の O は1個です。式に記号が書かれていれば、その種類の原子が含まれています。右下に 1 を書かない約束を使い、数字が見えない記号にも1個とメモしてから数えます。

一方、式にない種類の原子を勝手に加えることもできません。H₂O から炭素原子の個数を尋ねられたら、この式には C がないので0個です。数字がない O と、記号そのものがない C とを比べると、1個と0個の違いが明確になります。式にない記号を補ってしまった場合は、最初に書かれた記号を1組ずつ囲んでから答えを作り直します。

分子を作らない塩化ナトリウムでは、NaCl の右下に数字がなくても、Na と Cl の比を 1 : 1 と読めます。これは結晶中の対応するイオンの数の比であって、結晶全体に各1個しかないという意味ではありません。銅の Cu についても、式中に数字がないことから銅原子が全体で1個と決めることはできません。どの範囲の粒子を問うかが分子の場合と違うので、物質の作りと問いの条件を合わせて考えます。

基本例題：水分子を2段階で数える

問題。水 H₂O の分子が4個あります。水素原子と酸素原子はそれぞれ何個ありますか。また、原子は合計何個ですか。答えは個数を整数で示してください。

最初に、分子1個分を式から読みます。H の右下には 2 があるので、水素原子は2個です。O の右下には数字がないので、酸素原子は1個です。図2のように、同じ組が4個あることを確かめてから、原子の種類ごとに数えます。

水素原子は、1組に2個ずつで4組です。

2 × 4 = 8個

酸素原子は、1組に1個ずつで4組です。

1 × 4 = 4個

原子の合計は、種類を分けて出した個数を足します。

8 + 4 = 12個

答えは水素原子8個、酸素原子4個、合計12個です。図2に戻して確かめると、各組に水素原子2個と酸素原子1個があり、4組で合計が 3 × 4 = 12個になります。水素と酸素の個数の比も 8 : 4 = 2 : 1 となり、1分子の内訳と一致します。

ここで H₂O の 2 に4を足して6個とするのは誤りです。4個という条件は水分子の個数であり、水素原子の個数に加える同じ種類の数ではありません。4個の分子のそれぞれに2個ずつあるため、かけ算で数えます。逆に水素だけ4倍して酸素を1個のままにすると、4組のうち3組に酸素原子がない図になり、水の分子4個という条件に戻れません。

式の前に数字を置いて分子の個数を表す場合は、4H₂O と書けます。前の 4 は分子全体にかかり、右下の 2 は1分子中の水素原子の個数です。両者の位置は役割を区別する手がかりです。化学変化の前後を式で表すときの係数のそろえ方は、ここでは扱いません。

少し難しい例題：分子と個数比を分ける

問題。二酸化炭素 CO₂ の分子が3個あり、別に銅 Cu の原子が5個あります。二酸化炭素について、炭素原子と酸素原子の個数、および原子の合計を整数で答えてください。また、二酸化炭素と銅をそれぞれ単体か化合物かに分け、分子を作るのはどちらか答えてください。銅は原子が集まった物質とします。

二酸化炭素の1分子には、数字のない C が1個、右下に 2 のある O が2個あります。分子は3個なので、それぞれ3倍します。

炭素原子：1 × 3 = 3個

酸素原子：2 × 3 = 6個

二酸化炭素に含まれる原子の合計：3 + 6 = 9個

答えは炭素原子3個、酸素原子6個、合計9個です。1分子に原子が 1 + 2 = 3個あるので、3分子なら 3 × 3 = 9個です。炭素3個と酸素6個を3組に分けると、各組は炭素1個と酸素2個になり、与えられた CO₂ へ戻ります。銅の5個は別に与えられた原子なので、二酸化炭素の合計9個には足しません。

分類では、二酸化炭素は炭素と酸素の2種類の元素からなる化合物です。銅は銅という1種類の元素からなる単体です。分子を作るのは、この2つのうち二酸化炭素です。銅の原子が5個あるという条件を、銅分子が5個あると読み替えることはできません。

分かれ目は、数える対象が「分子の中の原子」か、「分子を作らない物質の原子」かです。CO₂ は1分子の内訳に分子の個数をかけられます。一方、銅の5個は初めから原子の個数として与えられています。式の形が短いから単体、数字があるから化合物と判断すると、酸素 O₂ のような単体を誤って分類します。

誤答の原因を図でたどる

図3は、水 H₂O の分子1個を見て「水素が1個、酸素が2個」と答えた場合の読み直しです。数字の 2 を後ろの O に付けたことが原因です。図3のように、数字の直前にある H へ目を戻し、数字のない O は1個と補います。

正しい内訳は水素原子2個、酸素原子1個です。式から描いた模型と、模型から書き戻した式を比べると、数字が逆についていないかを確かめられます。数字を式全体にかけて H も O も2個とする誤りも同様に直せます。右下の数字は直前の記号につき、全体の数ではないからです。

もう1つの誤答は「O₂ は原子が2個あるので化合物」とするものです。原因は、個数と種類を同じ数と考えたことです。O の記号は1種類で、酸素原子が2個結びついています。したがって、O₂ は分子を作る単体です。原子の個数を答えた後で、異なる記号の種類を別に数え直します。

また NaCl を「分子1個に原子が2個」とする読み方も修正が必要です。NaCl は分子を表す式ではなく、粒子の個数比を表します。化学式から読み取る情報には、分子の内訳と、分子を作らない物質の比という違いがあります。式を見たら、まずその物質がどちらに当たるかを確かめます。

練習：式と模型を往復する

次の4問を解いてから、下の答えと比べてください。記号と物質の対応は各問に示しています。原子の個数は整数で答え、分類には理由も添えてください。

1. アンモニア NH₃ の分子が5個あります。N は窒素、H は水素を表します。窒素原子と水素原子はそれぞれ何個ですか。原子の合計も求めてください。
2. 窒素 N₂ の分子が6個あります。窒素原子の合計は何個ですか。窒素は単体と化合物のどちらですか。
3. メタン CH₄ の分子が2個あります。C は炭素、H は水素を表します。炭素原子と水素原子の個数をそれぞれ求め、メタンが単体と化合物のどちらか答えてください。
4. 鉄 Fe は鉄原子が集まった物質で、分子を作りません。鉄原子が7個あるとき、原子の種類はいくつですか。鉄は単体と化合物のどちらですか。また、7個を「鉄分子7個」と呼べるか答えてください。

答えと読み直し

1. NH₃ の1分子には窒素原子1個、水素原子3個があります。5分子なので、窒素は 1 × 5 = 5個、水素は 3 × 5 = 15個です。合計は 5 + 15 = 20個です。5組に分けると各組は窒素1個と水素3個になり、問題の NH₃ に戻ります。窒素にも5をかけ忘れた場合は、5組すべてに窒素があるか確かめます。

2. N₂ の1分子に窒素原子が2個あるため、2 × 6 = 12個です。12個を2個ずつに分けると6組となり、分子6個の条件に戻ります。窒素原子という1種類の元素からできているので単体です。原子が2個あるという理由で化合物とした場合は、個数ではなく記号の種類を数えます。

3. CH₄ の1分子には炭素原子1個と水素原子4個があります。炭素は 1 × 2 = 2個、水素は 4 × 2 = 8個です。2個の炭素原子それぞれに水素原子4個を組み合わせると、CH₄ の分子2個に戻ります。炭素と水素の2種類の元素からできているため化合物です。4を炭素の個数と読んだ場合は、数字の直前の H に線を引いて対応を直します。

4. 鉄原子の種類は1種類で、鉄は単体です。7個という数は同じ種類の原子の個数であり、分子を作らないので鉄分子7個とは呼べません。7個の Fe を並べて見直すと、記号の種類は Fe の1種類のままです。7種類と答えた場合は、個数を数えた後に、異なる元素記号がいくつあるかを数え直します。

手元に残す要点

• 元素記号を1組ずつ読み、右下の数字を直前の原子の個数と対応させます。
• 分子が複数あるときは、1分子中の各原子の個数に分子の個数をかけます。
• 単体と化合物は元素の種類で分け、分子を作るかどうかも別に確かめます。

途中のどこで迷ったかを見つける

お子さまが答えを間違えたときは、まず式の記号を指して、どこまでが1つの元素記号かを尋ねます。次に右下の数字がどの原子にかかるか、図の丸を指しながら説明してもらいます。記号を区切れない場合と、分子の個数をかけ忘れる場合では、戻る場所が違います。

個別指導で確かめるなら、1分子の模型を描いた後、複数の分子へ増やし、最後に各原子を数える順に途中を書いてもらいます。分類で迷う場合は個数をいったん脇に置き、元素記号の種類を数えます。答えから元の模型に戻せれば、化学式の数字の意味を自分の言葉で説明できます。