銅の酸化と質量の比

ステンレスの皿（ステンレスは酸化しない金属なので加熱しても変化せず、質量はかわらない）に銅をのせ、加熱すると、銅は空気中の酸素と結びつき酸化銅になる。

赤かっ色の銅が、加熱すると黒色の酸化銅にかわる。

２個の銅原子が、１個の酸素分子と結びつき、２個の酸化銅にかわることがわかっている。



このとき、もとの銅の質量を測り、さらに加熱後の酸化銅の質量を測定すると、下のグラフのようになる。


銅が１ｇだとできる酸化銅は１.２５ｇ、２ｇだと２.５ｇ、３ｇだと３.７５ｇ、４ｇだと５ｇ。
つまり、銅と、できた酸化銅の比は常に４：５で一定である。
これを定比例の法則という。

だから、例えば銅５ｇを反応させると何ｇの酸化銅ができるかと問われれば、５：ｘ＝４：５の比例式をたてることができるから、４ｘ＝２５、ｘ＝６.２５ｇだとわかる。


このように、銅の酸化の場合、反応前の銅の質量と反応後の酸化銅の比は常に４：５（銅と酸素の質量の比は４：１）だが、これは、中学生の学習範囲では、実験で求められた数値から気づかせるだけである。

なぜそうなるのか、本当の理由を考えてみたい。


定比例の法則が成り立つ理由

原子の構造から

すべての原子は、同じ構造をしている。
原子核とその周りを回る電子からできている。さらに原子核は陽子と中性子からできている。
陽子の数が一番少ないのは水素であり１個である。２番目のヘリウムは２個、３番目のリチウムは３個、４番目のベリリウムは４個、・・・となり、酸素は８個、銅は２９個である。

すべての原子の、陽子１個の質量は等しい。また、陽子と中性子の質量も等しい（電子の質量は陽子の１８４０分の１でほぼ無視できる軽さである）。
だから、例えば陽子の数７個の窒素の質量は中性子の質量も７で計１４、陽子の数８個の酸素の質量は中性子の質量も８で計１６、したがって同じ個数の窒素原子と酸素原子の質量の比は１４：１６、すなわち７：８ということになる。

（この陽子の数は原子番号といわれるものと一致する。原子番号１は水素、２はヘリウム、７が窒素、８が酸素ということになる。）

まとめると、原子番号ｎの原子だと、陽子の数がｎ個で同じ質量の中性子の数もｎ個であり、だから質量はｎ＋ｎということになる。

（例）

左の図はヘリウム原子である。

ヘリウムの原子番号は２である。

２個の陽子と、同数の２個の中性子を持っている。
したがって、質量は２＋２＝４ということになる。



（これはあくまで原則である。原子には同位体といわれるものが存在し、例えば水素は、原則通りだと原子番号１だから陽子１個、中性子１個を持つはずだが、そのような水素は少なく、自然界に存在する水素の９９.９％近くは陽子１個だけで中性子を持たない同位体である。また、銅は原子番号２９であり、２９個の陽子を持つが、中性子３５個のものが自然界に存在する銅の６割以上になり、実験で用いる銅も２９個の陽子と３５個の中性子を持つものを用いている。）


銅の酸化と質量の比

もういちど、化学反応式と模式図を眺めてみよう。

２個の銅原子が、１個の酸素分子と結びつき、２個の酸化銅ができる。

銅の質量は、原子番号２９で陽子が２９個、中性子は３５個で、質量は２９＋３５＝６４。
２個の銅だと質量は６４×２＝１２８。

酸素は原子番号８で陽子数は８個、中性子も８個。原子の質量は８＋８＝１６。酸素分子は２個の酸素原子が結びついたものだから、酸素分子１個の質量は１６×２＝３２。

酸化銅１個は銅原子１個と酸素原子１個からできているから質量は６４＋１６＝８０。２個の酸化銅の質量は８０×２＝１６０。

以上のことから、反応前の銅の質量は１２８で、反応する酸素の質量は３２、反応後の酸化銅の質量は１６０。
この比１２８：３２：１６０を、約数の３２でわって簡単にすると、４：１：５。

以上より、常に銅：酸化銅が４：５になる理由を理解できる。
（いろいろ銅の質量をかえても、結びつく酸素、できる酸化銅の割合は変わらない。）

また、酸化銅を構成する銅と酸素の比を考えたとき、常に銅：酸素の比が４：１である理由も理解できる。


マグネシウムの酸化と質量の比

マグネシウムを加熱すると酸素と反応して酸化マグネシウムができる反応の質量比を、同じように考えてみよう。

２個のマグネシウム原子が１個の酸素分子と結びつき、２個の酸化マグネシウムができる。

実験では、反応前のマグネシウムと、反応後の酸化マグネシウムの比が３：５（したがって、マグネシウムと、反応する酸素の質量比は３：２）であることを確かめることができる。







そうなる理由を考えてみよう。




マグネシウムの原子番号は１２であり、１２個の陽子と１２個の中性子を持つ。したがって質量は２４である。

酸素の原子番号は８であり、８個の陽子と８個の中性子を持つから、質量は１６である。

以上より、マグネシウム＋酸素→酸化マグネシウムの質量を考える。

２個のマグネシウム原子の質量の合計は２４×２＝４８。

２個の酸素原子が結びついた１個の酸素分子の質量は１６×２＝３２。

１個の酸化マグネシウムの質量は、酸素＋マグネシウム＝１６＋２４＝４０、２個の酸化マグネシウムができるから４０×２＝８０。

以上より、２個のマグネシウム原子：１個の酸素分子：２個の酸化マグネシウム＝４８：３２：８０。
比を公約数１６でわって簡単にして、３：２：５。

マグネシウム：酸素：酸化マグネシウム＝３：２：５である理由を理解できる。


さらに詳しく理解するために

原子量

原子の質量を表わす数字を原子量という。

原子は、原子核と電子からできているが、電子の質量は非常に小さいので（陽子の質量の１８４０分の１）、原子量は原子核の質量と考えてよい。

また、原子核は陽子と中性子より成り立っているので、原子量は陽子と中性子の質量の和でもある。

約１００種類の原子は、陽子の数の少ない順に原子番号をつけられている。原子番号は、原子番号１の水素から始まって、２ヘリウム、３リチウム、４ベリリウム、５ホウ素、６炭素、７窒素、８酸素、・・・・となっている。

通常は、原子核に含まれる陽子と中性子の数は一致するので、原子量は原子番号の２倍になる。
原子番号２のヘリウムの原子量は４、原子番号６の炭素の原子量は１２、原子番号７の窒素の原子量は１４、原子番号８の原子量は１６というように、これらの物質の原子量は原子番号の２倍である。

ところが、原子によっては、陽子の数と中性子の数が一致しないものがある。例えば水素は、陽子１個、中性子１個の水素も存在するが自然界には極めて少ない。陽子１個だけで中性子を持たないものが一般的である。したがって、水素は原子番号１、原子量１ということになる。
原子量が原子番号の２倍にならない物質として、水素以外に、ナトリウム、アルミニウム、塩素、鉄、銅などがある。

分子量

分子をつくっている原子の原子量の総和。
例えば二酸化炭素だと、酸素の原子量が１６、炭素の原子量が１２、２個の酸素と１個の炭素からできているので二酸化炭素の分子量は１６×２＋１２＝４４ということになる。


水の電気分解と質量の比

水を電気分解すると陰極に水素が発生し、陽極に酸素が発生する。








水素の質量（原子量）は１であり、酸素の質量（原子量）は１６である。

水の質量を考える。
水分子は２個の水素原子（質量は１×２）と１個の酸素原子（質量は１６）でできているので質量（分子量）は１８。
水の電気分解では２個の水分子が分解されるので質量は１８×２＝３６。

水素の質量を考える。
発生する水素の原子１個の質量は１、水素分子は２個の原子が結びついているので質量は２、その水素分子が２個できるので質量は２×２＝４。

酸素の質量を考える。
酸素の原子１個の質量は１６、酸素分子１個は２個の酸素原子からできているので質量は３２。

以上より、水：発生する水素：発生する酸素＝３６：４：３２。
公約数４でわって簡単にして、水：水素：酸素＝９：１：８。

水の電気分解では、発生する水素と酸素の質量の比は１：８だとわかる。


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