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物理学入門:モル数とは何?シミュレーターを用いて理解しよう!

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モル数とは何か?を解説していきます!

今回は気体の状態方程式等を説明するための前提として、「モル数とは何か?」を簡単に解説します。

モル数は分子/原始の数を数える時に使用する単位です!頻出するので必ず理解しましょう!

物理学入門:モル数とは何?シミュレーターを用いて理解しよう!

1モル(mol)の定義

分子の数はこの世界に膨大な数が存在しています。億とか兆とかを超える膨大な数字です。そのため、毎回その数を書くのは物理や化学の計算をしていくのに辛いです><

そこで、物理や化学の世界では、分かりやすい単位でまとめて分子数を扱うようにしています。それがモル(mol)数です!1モルの定義は↓の通りです。

1モルの定義

1モル = 中性子6+陽子6の元素数12の炭素を12g集めるのに必要な数
↓具体的には
1モル = \(6.02×10^{23}\)

基本的に、元素の重みは中性子と陽子の数で決まります。中性子と陽子の重さは同じのため、その合計数で決まります。つまり、「中性子6+陽子6」の炭素は12の重さがあるんです。ただ元素は小さすぎてグラム単位で測ることができません、、、

そこで、12の重さの炭素を超大量に集めて、12グラムになるようにします。この時に必要な元素数こそ、1モルです。具体的には\(6.02×10^23\)個集めれば、「中性子6+陽子6」の炭素は12グラムになるんですね!

元素を1モル集めると、(中性子+陽子)グラムとなる!

上記のように「中性子6+陽子6の炭素」を基準としましたが、その他の元素も同様になります。例えば「中性子2+陽子2のヘリウム」を1モル集めると、2+2=4グラムになります。つまり、1mol=\(6.02×10^{23}\)個集めると、↓のようにどんな元素も(中性子+陽子)グラム単位に変換できるのです!(厳密に言うと、微小量少数単位で少しズレます)

αモルでの個数と質量

1モルでは上記の量になるため、αモルでは↓のような個数とグラム数になります。この変換は大事ですので覚えておきましょう!

αモルの個数と質量

αモルの分子数 → \(α×6.02×10^{23}個\)
αモルの質量 → \(α×(中性子+陽子)グラム\) 

モル数と分子数・質量の関係を、シミュレーターを使って理解しよう!

上で説明したモルの概念を、シミュレーターを使ってイメージを掴みましょう!ものすごく微小量の世界の話なので、分かりにくいですが、絵で見てイメージを掴んでおくと分かりやすいと思います!

[操作方法]
  • このシミュレーターでは分子として「中性子2+陽子2のヘリウム」を用います
  • ↓のスライドバーでヘリウムのモル数を変えられます
  • シミュレーター上では、分子を表示すると同時に、上に分子数が、下にはグラム数を数値で表示します
  • バーを上下して、モル数と分子数・質量の比例関係を理解しましょう

↓モル数を変えて、実験してみましょう!

モル数
1.0


* さすがに\(6.02×10^{23}\)個を画面上に表示できないため、分子数は省略して表現しています

まとめ:「1モル=(中性子+陽子)グラムだけの分子」と考えよう!

上記の通り、モルを使うと、微小で重さも測れないような原子・分子を、わかりやすいグラム単位で測ることが可能になります。ですので、物理/化学では、色んな原子・分子をモル単位で扱うんですね!

とりあえず1モルという単位ができていたら、「グラムに変換できる数だけ集めてきたんだな」とイメージして考えれば良いと思います!

[関連記事] 物理入門: ボイル・シャルルの法則と状態方程式
5.分子のモル数(本記事)

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