【高校化学】物質の構成

/高校理科

物質と化学結合

物質の三態

液体と気体の平衡状態において、

  • 気液平衡:蒸発する分子の数と凝縮する分子の数が等しい状態。
  • 蒸気圧:気液平衡のときに気体が示す圧力。
  • 沸騰:液体の蒸気圧が気体の圧力(気圧)に等しくなった状態。

化学結合

化学結合の種類は以下になります。

  • イオン結合:陽イオンと陰イオンが静電気力(クーロン力)で結合。
  • 共有結合:2つの原子が不対電子を共有して電子対を作って結合。
  • 配位結合:分子の非共有電子対を他の陽イオンなどと共有する結合。
  • 金属結合:原子から放出された価電子(自由電子)により結び付けられる結合。

気体の法則

理想気体における法則は以下になります。

  • ボイル・シャルルの法則
    気体の体積 $V$ は、圧力 $p$ に反比例(ボイルの法則)し、絶対温度 $T$ に比例(シャルルの法則)します。
    $$\frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2}$$
  • 理想気体の状態方程式
    気体定数 $R=8.31\times10^3$($\mathrm{Pa\cdot L/mol\cdot K}$)とすると以下の関係が成り立ちます。
    $$pV=nRT$$
  • 分圧の法則
    混合気体の気圧 $p$ は、構成する気体の気圧(分圧 $p_1,p_2,\cdots$)の和で表され、その分圧比は物質量比(分子数比)に等しい。
    $$p=p_1+p_2+\cdots$$

結晶構造

結晶の構造と性質は以下になります。

  • イオン結晶:イオン結合による物質。
    特性)融点・沸点が高い、固体・液体ともに電気を通さない。
  • 共有結合結晶:共有結合による物質。
    特性)一般に融点がきわめて高く、固い。
  • 金属結晶:金属結合による物質。
    特性)個体・液体ともに電気を通す、展性・延性がある。
  • 分子結晶:分子間力(ファンデルワールス力、水素結合)による物質。
    特性)融点・沸点が低い、固体・液体ともに電気を通さない。

尚、水素結合とは、極性分子の水素原子が隣接の非共有電子対と静電気力で結合することです。

物質量と溶液

原子量と物質量

  • 原子量:炭素原子(${}_6^{12}\mathrm{C}$)を12としたときの各原子の相対質量。同位体が存在する原子の原子量は、相対質量に存在比を掛けた平均値。
  • 分子量:分子を構成する原子の原子量の総和。
  • アボガドロ数($=6.02\times10^{23}$):原子量・分子量にグラムを付けた質量中に含まれる原子・分子の個数。
  • アボガドロ定数($N_A=6.02\times10^{23}/\mathrm{mol}$):1モル当りの粒子数。
  • 物質量(モル):アボガドロ数個の粒子(原子・分子等)の集団(=1モル)。
    1モルの気体の体積は、標準状態(0℃、1気圧)で22.4リットル。
  • モル質量($\mathrm{g/mol}$):同一粒子1モル当りの質量。

化学式

化学式の定義は以下になります。

  • 組成式:原子数の比を表す式、分子が存在しない物質で使用
  • 分子式:分子の構成を表す式(例えば $\mathrm{C_2H_6O}$)
  • 示性式:分子式の中で特定の官能基を明示した式(例えば $\mathrm{C_2H_5OH}$)
  • 構造式:原子間の結合を価標を用いて表した式

溶解度と濃度

溶解度などの定義は以下になります。

  • 溶液:溶媒+溶質
  • 溶解度:溶媒 100gに溶け得る溶質の質量(g)
  • ヘンリーの法則:
    溶媒に溶ける気体の物質量(質量)は、気体の圧力に比例する
    溶媒に溶ける気体の体積は圧力に関わらず一定

濃度の定義は以下になります。

  • 質量パーセント濃度(%):溶液100g中の溶質の質量(g)
  • モル濃度(モル/リットル):溶液1リットル中の溶質の物質量(モル)
  • 質量モル濃度(モル/kg):溶媒1kgに溶かした溶質の物質量(モル)

溶液の性質

溶液と蒸気圧などの関係は以下になります。

  • 溶液の蒸気圧の低下
  • 溶液の沸点上昇:
    希薄溶液では、溶質の種類に関係なく、沸点上昇度 $\Delta t$ は質量モル濃度 $m$ に比例する。$K_b$ はモル沸点上昇。
    $$\Delta t=K_bm$$
  • 溶液の凝固点降下:
    希薄溶液では、溶質の種類に関係なく、沸点上昇度 $\Delta t$ は質量モル濃度 $m$ に比例する。$K_f$ はモル凝固点降下。
    $$\Delta t=K_fm$$

浸透圧

浸透圧は以下で表されます。

  • 半透膜:溶質粒子は通さないが、溶媒分子のみを通す膜。
  • 浸透圧:半透膜を通して溶媒が侵入しようとする圧力。
    浸透圧 $P$ は、非電解質溶液のモル濃度 $c$(モル/L)と絶対温度 $T$($K$)に比例する。
    $$P=cRT$$

コロイド溶液

  • コロイド粒子:直径が $\mathrm{10^{-9}\sim10^{-7}m}$(原子 $10^3\sim10^9$ 個に相当)の粒子
  • 親水コロイド:水和している水分子が多く、有機物のコロイド
  • 疎水コロイド:水和している水分子が少ない、無機物のコロイド

コロイドの分離方法は以下があります。

  • 凝析:疎水コロイドに少量の電解質を加える
  • 塩析:親水コロイドに多量の電解質を加える
  • 透析:コロイドと溶質粒子の溶液を半透膜で包み、水に浸ける

 

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