高校化学基礎 純物質と混合物—成分の種類から分類し化合物と単体を区別する｜武蔵野個別指導塾

酸素と水を比べ、成分の種類と元素の種類を分けて数える手順を、粒子図と分類問題で確かめます。

よくあるのは、酸素を化合物に分類してノートを止める場面です。酸素分子 O₂ には原子が2個あるので、2種類の物質が組み合わさっているように見えるかもしれません。しかし、2個はいずれも酸素原子です。原子の個数と元素の種類の数を分けると、判断の順序が見えてきます。

まず試料を構成する物質の種類を見て、その次に純物質を構成する元素の種類を見ます。混合物かどうかと、単体か化合物かを同時に決めようとしないことが、取り違えを防ぐ入口です。

問いの形を見つける

1つ目は、物質名の一覧から純物質と混合物を選ぶ問題です。空気のように複数の物質を含むものと、成分が1種類のものを分けます。問題で「純粋な」と与えられた試料なら、通常含まれうる不純物を勝手に足さずに判断します。反対に、混合されている成分が示されていれば、その種類を数えます。

2つ目は、純物質を単体と化合物に分ける問題です。単体は1種類の元素からなる純物質、化合物は2種類以上の元素からなる純物質です。化学式の文字の種類を手掛かりにできますが、添字の数字は元素の種類の数ではありません。元素記号の大文字と、それに続く小文字をひとまとまりにして読みます。

3つ目は、粒子の模式図や文章を見て理由を記す問題です。粒子図では、色や形の意味と、それらの組が何を表すかを先に読みます。見えている粒の個数が多くても、同じ種類の粒子が並んでいるなら成分が複数あるとは限りません。答えには、成分の種類と、必要なら元素の種類の両方を根拠として添えます。

成分と元素は別の問い

純物質は1種類の物質からなる試料です。混合物は2種類以上の物質が混ざった試料です。ここでいう成分は、混合物などを構成するそれぞれの物質を指します。成分の種類を数えるときに、水を構成する水素と酸素をそのまま2成分と数えるのは誤りです。純粋な水の成分は水という1種類の物質です。

元素は、物質をつくる原子の種類を表す考え方です。水 H₂O は水素と酸素の2種類の元素からなる純物質なので化合物です。一方、酸素 O₂ は酸素元素1種類からなる純物質なので単体です。水の中の酸素元素と、物質として取り出した酸素は同じ意味ではありません。「水に酸素が含まれる」という表現は、酸素元素が含まれるという意味にも取れるため、どちらを指すかを明確にします。

図1のように、最初の分岐では成分の種類を数えます。純物質に進んでから元素の種類を数え、単体か化合物かを決めます。混合物の枝には単体と化合物のどちらかという名前を付けず、各成分について必要に応じて分類します。

図1の2段階を逆にすると、混合物にも含まれる元素の種類だけを見て「化合物」と呼ぶ誤りが起きます。例えば単体どうしの混合物には複数の元素が含まれますが、試料全体は混合物です。複数の元素があることと、1種類の化合物であることは別の条件です。

元素は原子そのものの集まりを指す物質名ではありません。同じ元素からできた単体でも、原子のつながり方などが異なる別の物質が存在します。元素の種類が同じだから物質も必ず同じだとは決めず、物質名や問題の条件を確かめます。なお、分離操作の具体的な選択はここでは扱いません。

粒子の図で数えるとき

模式図では、同じ色の丸が同じ種類の原子を表すというように、凡例が示されます。まず接して描かれた丸のまとまりを見て、どの種類の粒子があるかを調べます。次に、その粒子を構成する丸の色を数えます。粒子が10個描かれていても、10種類の成分があるとは限りません。同じ組が繰り返されていれば、描かれた粒子は同じ種類です。

一方、異なる組が描かれていても、図の凡例や条件なしに具体的な物質名を決めることはできません。色が違えば必ず別の元素という約束も、問題の説明があって初めて使えます。図を読むときは、丸の数、まとまりの種類、丸の種類のどれを問われているかを欄外に書きます。描かれた粒子の数と成分の種類を区別すると、粒子の数が増減する図でも同じ手順で考えられます。

基本例題：酸素と水を順に分類する

次の試料 A〜C は、示した成分以外を含まないものとします。A は純粋な酸素 O₂、B は純粋な水 H₂O、C は酸素 O₂ と水 H₂O の混合物です。それぞれを純物質または混合物に分類し、純物質については単体または化合物も答えてください。各判断について、成分または元素の種類数を整数で示します。

まず成分の種類を調べます。A の成分は酸素で1種類です。B の成分は水で1種類です。したがって A と B は純物質です。C は酸素と水の2種類の物質を含むので混合物です。C に含まれる元素を数えて単体か化合物かを決めるのではなく、混合物として判断を止めます。

次に A と B の元素を数えます。A の O₂ にある元素記号は O の1種類です。添字の2は酸素分子をつくる酸素原子の個数を表し、元素の種類を2に増やしません。A は1種類の元素からなる純物質なので単体です。B の H₂O には H と O の2種類の元素記号があります。よって B は化合物です。

図2のように、同じ試料でも「何種類の物質か」と「何種類の元素か」の問いを分けて読んでください。図中の名前は各成分を表し、粒子の実際の大きさや量を示してはいません。C の2つの名前は、酸素と水が同じ1種類の物質に変わったという意味ではありません。

答えを元の条件に戻して確認します。A は酸素だけなので成分1種類、しかも O だけなので元素1種類です。B は水だけなので成分1種類、式に H と O があるので元素2種類です。C は酸素と水の両方があるため成分2種類です。どの答えも、最初に与えられた試料の説明を取り落としていません。

少し難しい例題：同じ元素でも成分は別

次の条件を使います。酸素 O₂ とオゾン O₃ は、どちらも酸素元素からなる別の単体です。試料 D は純粋なオゾン、試料 E は酸素とオゾンの混合物で、ほかの成分は含みません。D と E について成分と元素の種類数をそれぞれ整数で答え、純物質または混合物に分類してください。純物質なら単体か化合物も答えます。

D の物質はオゾン1種類ですから純物質です。式 O₃ に現れる元素は O の1種類であり、D は単体です。添字の3は元素の種類ではありません。E は酸素とオゾンという異なる物質を含むので、成分は2種類で混合物です。両方とも酸素元素からできているため、E 全体の元素は1種類です。

ここが判断の分かれ目です。元素が1種類だからといって試料全体が必ず単体になるわけではありません。単体であるためには、1種類の元素からなることに加え、純物質である必要があります。E はその前の条件である純物質に当てはまりません。

答えを条件に戻すと、D にある名前はオゾンの1つ、E にある名前は酸素とオゾンの2つです。どちらの式にも元素記号 O しかありません。成分数と元素数が異なる場合があると確認できます。物質名が違うという条件を読み落とした場合は、式の添字の違いと、問題が別の物質と明示している箇所に印を付け直します。

この例では、酸素とオゾンを別の成分として与えています。もし成分名が書かれておらず、酸素元素を含むとだけ記されていたら、成分の種類数はその情報だけでは確定しません。元素の名前だけから物質の名前を補うのではなく、試料についての条件を探します。条件が与えられた場合には、それに従って分類し、与えられていない性質を推測で足さないようにします。

誤答を手掛かりに直す

誤答の例は「O₂ は原子を2個含むから化合物」です。原因は、原子の個数と元素の種類数を同じものとして数えたことです。O₂ の2個はともに O なので、元素は1種類です。酸素が純物質である条件を確認すれば、答えは単体に修正できます。

図3のように、まず添字が示す個数を読み、次に元素記号の種類を数えます。2つの数を同じ欄に書かないのが修正の要点です。図3は原子の種類と個数を示す模式図で、原子の大きさや結合の長さを表していません。

別の誤答として「純粋な水は水素と酸素からできるので混合物」があります。原因は水の構成元素を試料中の成分に置き換えたことです。水という物質が1種類なら純物質で、その水が2種類の元素からなるので化合物です。酸素という物質と酸素元素を同じ語で呼んだままにせず、文の中に「元素」か「物質」を補って読み直します。

また「均一に見えるから純物質」と決めるのも不十分です。均一な混合物もあるため、見た目だけで成分数を決められません。問題に成分が明示されていなければ、見た目だけから純物質と断定せず、成分についての情報を探します。問題文の条件が足りないときに無理に分類しないことも、判断の一部です。

練習：試料の条件から分類する

次の各問では、書かれていない成分は含まれないものとします。記述は指定された語を使い、種類数は整数で答えてください。

1. 純粋な窒素 N₂ と純粋な二酸化炭素 CO₂ を、それぞれ純物質または混合物に分類し、さらに単体または化合物に分類します。各試料を構成する元素の種類数も答えてください。
2. 鉄 Fe と硫黄 S を混ぜた試料があります。反応は起きていません。成分の種類数と元素の種類数を答え、純物質または混合物に分類してください。
3. 純粋なアンモニア NH₃ について、成分と元素の種類数を答え、単体または化合物に分類してください。「原子の個数」と「元素の種類」という語を使って、添字3を種類数にしない理由も説明します。
4. 炭素元素からなる別の単体であるダイヤモンドと黒鉛を混ぜた試料があります。成分と元素の種類数を答え、試料全体を純物質または混合物に分類してください。

答えと道筋

1. 窒素は成分が窒素1種類なので純物質です。元素記号は N の1種類ですから単体です。二酸化炭素は成分が二酸化炭素1種類なので純物質で、元素記号 C と O の2種類からなる化合物です。条件へ戻すと、窒素の式にある元素は N、二酸化炭素の式にある元素は C と O で、分類の根拠と一致します。

2. 反応が起きていないので、成分は鉄と硫黄の2種類です。元素も Fe と S の2種類です。試料は複数の物質を含むため混合物です。成分が2種類である根拠は、異なる2つの物質が残っているという条件です。鉄と硫黄を含むというだけで新しい化合物ができたと決めず、反応が起きていないという条件に戻って確認します。

3. 成分はアンモニアの1種類で、元素は N と H の2種類です。純物質であり、2種類の元素からなるので化合物です。添字3は1分子中の水素原子の個数を示し、元素の種類を3種類にする数字ではありません。式に戻して N と H を数えると2種類で、答えと一致します。

4. 成分はダイヤモンドと黒鉛の2種類、元素は炭素の1種類です。したがって試料全体は混合物です。それぞれは炭素元素からなる単体ですが、同じ元素からなる別の物質という条件なので、混ぜた試料を1種類の物質とは数えません。元の条件に戻すと、物質名は2つ、元素名は炭素の1つです。

覚えておくこと

• 成分が1種類なら純物質、2種類以上なら混合物です。
• 純物質のうち、元素が1種類なら単体、2種類以上なら化合物です。
• 化学式の添字は原子の個数を表し、元素の種類数ではありません。
• 混合物の成分数と、それを構成する元素数は別に数えます。

止まった場所を見分ける

試料名を見てすぐに単体か化合物かを選び始める場合は、成分数を先に言えるか確かめます。成分は答えられるのに O₂ を化合物とする場合は、式の記号と添字に別々の印を付け、それぞれが示すものを言葉にします。水を混合物とする場合は、水そのものと水を構成する元素を別の欄に書くと、数えている対象を確認できます。

個別指導では、答えの名称を覚えたかに加えて、初めて見る条件でも「試料に何種類の物質があるか」「純物質なら何種類の元素からなるか」を順に説明できるかを確かめます。条件が不足している問題では、何の情報があれば分類できるかも言葉にします。分類の根拠は、数える対象を決めたところから始まります。