質量百分率濃度って知っているか?

難しい言葉で表しているが、小学校や中学校の理科で習う「質量パーセント濃度」とほぼ同じです。試験で問われることも多いよな。

今回は「なぜ濃度が重要なのか」から「質量パーセント濃度の公式」と「問題の解き方」について、化学実験を生業にしてきたライターwingと一緒に解説していきます。

ライター/wing

元製薬会社研究員。小さい頃から化学が好きで、実験を仕事にしたいと大学で化学を専攻した。卒業後は化学分析・研究開発を生業にしてきた。化学のおもしろさを沢山の人に伝えたい!

1.なぜ濃度が重要なのか?

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濃度の計算が苦手な人多いですよね。なぜ化学で濃度を求める問題が多いのかわかりますか?

化学では、水溶液を使って実験をすることがとても多いです。そしてその水溶液の濃度が違えば、実験結果は全く違うものになってしまう可能性があります。

それなので、実験方法を考えるときにどんな濃度の水溶液を使うか、また使用したい濃度の水溶液をきちんと作ることができるかはとても重要なのです。

1-1.「溶質」「溶媒」「溶液」について理解しよう

濃度を理解する上で重要な「溶質」「溶媒」「溶液」という用語を先に覚えておきましょう。

溶かされている物質が溶質溶かしている物質が溶媒溶質と溶媒全体のことを溶液といいます。

食塩水で例えると、溶質とは食塩溶媒とは水溶液とは食塩水のことです。

1-2.濃度が違うとはどういうことか?

1-2.濃度が違うとはどういうことか?

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ここに水 200 g を入れたコップが 2 個あることを想像しましょう。コップ A には塩を 5 g 入れ、コップ B には塩 30 g を入れます。

それぞれ塩が完全に溶けるまでかき混ぜると、どちらも見た目は同じ無色透明の液体になりました。そしてどちらも水に塩を溶かした食塩水です。

しかし、コップ A とコップ B の中身は同じと言えるでしょうか?

コップ A とコップ B の食塩水を味見しました。どちらがよりしょっぱいか分かりますか?B の方が、塩をたくさん入れているからしょっぱいですよね。

さらに、同じ重さの生卵を 2 個持ってきてコップ A とコップ B に入れてみると、コップ A に入れた生卵は沈みコップ B に入れた生卵は浮くでしょう。

同じ水に塩を溶かした食塩水で、見た目も同じでも、濃度が違えば性質が変わるのです。

2.濃度の単位と求め方

化学において濃度が重要だということがわかったところで、次に大切なのは濃度の定義です。「何」を「何」でわるのかという事と、その物質が何「グラム」なのか何「モル」なのか何「リットル」なのかという単位に特に注目して、濃度を見てください。

単位を意識しないで濃度の勉強に取り組むと、間違える原因となり、見返してもどこで間違えたかわからなくなってしまうでしょう。

きちんと単位に注目してひとつずつ順番に答えに近づいていけば、複雑な濃度の計算も必ず解けるようになります。まず、今回のテーマである質量百分率濃度から説明していきましょう。

\次のページで「2-1.質量百分率濃度(%)」を解説!/

2-1.質量百分率濃度(%)

質量百分率濃度は質量パーセント濃度とほとんど同じ意味です。百分率というのは「全体を100個に分けたうちのいくつ分か」という意味で使われます。質量パーセント濃度という表現の方がよく使われるので、ここからは質量パーセント濃度と言うことにしましょう。

小学校の理科のテストで「食塩何グラムを水何グラムに溶かしました。濃度を計算して求めましょう。」という問題を解いたことがありませんか?この時の濃度というのが質量パーセント濃度です。

大昔の科学者が濃度を表したいと思った時に、溶液を一定量として溶質の量を比較することで、溶液の濃度をわかりやすく示したものが質量パーセント濃度だと言われています。

質量パーセント濃度(%)= 溶質の質量(g)÷ 溶液(溶質+溶媒)の質量(g)×100

という計算式で導かれ、溶液中に溶質が何パーセント含まれているかの割合を表すものです。食塩水を例にとると、食塩水中に食塩が何パーセント含まれているかを計算で導くことができます。

2-2.モル濃度( mol / L )

化学で一番よく使われるのがモル濃度です。モル濃度には体積(容量)モル濃度( mol / L )と質量モル濃度( mol / kg )があるのですが、特に断りがなくモル濃度と書いてあれば体積モル濃度のことを表しています。ただ、体積モル濃度と質量モル濃度は全く別の濃度なので混同しないように注意しましょう。

(体積)モル濃度は溶液 1 リットル中に溶けている溶質の物質量(mol)を表した濃度です。計算式は

モル濃度(mol/L)= 溶質の物質量(mol)÷ 溶液の体積(L)

で表します。また溶液の体積は以下の通りに変換することもできるのです。

溶液の体積(L)= 溶液の体積(mL)÷ 1000

モル濃度を求めれば、水溶液の体積を量るだけで、その中に溶けている溶質の物質量(mol)を簡単に求めることができます。

2-3.質量パーセント濃度とモル濃度の換算

質量パーセント濃度とモル濃度はどちらも「溶質」と「溶液」の比率を表していますが、単位が違いますね。少し複雑な計算になりますが、質量パーセント濃度とモル濃度は密度が与えられれば換算することができます

質量パーセント濃度から溶質の質量溶液の質量を求め、溶液の質量から(原子量は問題文に示されるので)物質量を求めるのです。そして溶液の質量と密度から溶液の体積を求め、最終的にモル濃度に換算できます。

文字で書いていてもわかりにくいので、後の例題で実際に換算をしてみましょう。

3.理解を深める計算問題

質量パーセント濃度についてわかったところで、理解を深めるために計算問題を解きましょう。

3-1.質量パーセント濃度を求める計算問題

まず、溶質の質量や溶液の質量から、質量パーセント濃度を求めましょう。

\次のページで「3-2.質量パーセント濃度から質量を求める計算問題」を解説!/

問題 1 ブドウ糖 60 g を水に溶かして水溶液を 300 g 作りました。この水溶液の質量パーセント濃度を求めましょう。

質量パーセント濃度(%)= 溶質の質量(g)÷ 溶液の質量(g)× 100

なので  60 ÷ 300 × 100 = 20

答えは 20 % になります。

問題 2 水 95 g に食塩 5 g を溶かしました。この水溶液の質量パーセント濃度を求めましょう。

質量パーセント濃度(%)= 溶質の質量(g)÷ 溶液(溶質+溶液)の質量(g)× 100

なので 5 ÷( 95 + 5 ) ×  100 = 5

答えは 5 % になります。

3-2.質量パーセント濃度から質量を求める計算問題

次に、質量パーセント濃度が問題で与えられていて、溶質や溶媒の質量を求める問題を解いてみましょう。

問題 質量パーセント濃度 8 % の塩化カリウム水溶液を 400 g 作ろうする場合、(A) 塩化カリウムは少なくとも何グラム必要ですか?(B) 水は少なくとも何グラム必要ですか?

(A) 塩化カリウム(溶質)の質量を X として「質量パーセント濃度(%)= 溶質の質量(g)÷ 溶液の質量(g)× 100」にあてはめると

8 = X ÷ 400 × 100

X = 8 × 400 ÷ 100 = 32

答えは 32 g です。

(B) 溶液 = 溶質 + 溶媒  なので

400 - 32 = 368

答えは 368 g となります。

3-3.質量パーセント濃度をモル濃度に換算する計算問題

最後に 2-3. でも触れた、質量パーセント濃度をモル濃度に換算する計算問題を解いてみましょう。

問題 質量パーセント濃度 1.6 % の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液の密度は 1.0 g / wp_3 です。この水溶液のモル濃度は何 mol / Lでしょう。ただし、原子量 H = 1.0 O = 16 Na = 23 とします。

このような問題の場合には水溶液を自分の好きな量持ってきます。例えば今回は水溶液を 100 g にしましょう。

(1) 溶液の質量パーセント濃度から溶質の質量を求める

「質量パーセント濃度(%)= 溶質の質量(g)÷ 溶液の質量(g)× 100」より水酸化ナトリウム(溶質)を X とおくと 1.6 = X ÷ 100 × 100  X = 1.6 g

水酸化ナトリウムが 1.6 g 溶けていることが分かりました。

(2) 溶質の質量からモルを求める

水酸化ナトリウム(NaOH)の分子量は 23 + 16 + 1 = 40

質量を分子量でわるとモルが求められるので 1.6 ÷ 40 = 0.04 mol

(3) 溶液の体積を求める

溶液 100 g の体積を求めたい時には問題文にある密度を使いましょう。

溶液 100 g の体積 = 100 g ÷ 1.0 g / wp_3 = 100 wp_3
1 wp_3 = 1 mL なのでこの溶液は 100 wp_3 = 100 mL = 0.1 L

(4) 最後にモル濃度を求める

モル濃度(mol/L)= 溶質の物質量(mol)÷ 溶液の体積(L)

なので 0.04 ÷ 0.1 = 0.4

答えは 0.4 mol / L になります。

質量百分率濃度とは溶液を100とした時の溶質の割合

質量百分率濃度(質量パーセント濃度とほぼ同じ)は、溶液を100とした時の溶質の割合(%)です。

化学において濃度はとても重要で、濃度が違えば性質が異なる場合が多くあります。

見た目では分からない溶質の割合を質量百分率濃度として表し、性質の違いと結びつけることで化学は発展していったのです。

質量百分率濃度は、原子量と密度が与えられれば、溶液の体積と溶質の物質量の関係である「モル濃度」に換算することができます。

濃度の問題は苦手な方が多いですが、「何を何でわるのか」「その単位は何なのか」を明確にした上で、丁寧に計算をしていけば、必ず答えにたどり着くことができるはずです。

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化学物質の状態・構成・変化理科

溶液中の溶質の濃度を示す「質量百分率濃度」を元研究員がわかりやすく解説

質量百分率濃度って知っているか?

難しい言葉で表しているが、小学校や中学校の理科で習う「質量パーセント濃度」とほぼ同じです。試験で問われることも多いよな。

今回は「なぜ濃度が重要なのか」から「質量パーセント濃度の公式」と「問題の解き方」について、化学実験を生業にしてきたライターwingと一緒に解説していきます。

ライター/wing

元製薬会社研究員。小さい頃から化学が好きで、実験を仕事にしたいと大学で化学を専攻した。卒業後は化学分析・研究開発を生業にしてきた。化学のおもしろさを沢山の人に伝えたい!

1.なぜ濃度が重要なのか?

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濃度の計算が苦手な人多いですよね。なぜ化学で濃度を求める問題が多いのかわかりますか?

化学では、水溶液を使って実験をすることがとても多いです。そしてその水溶液の濃度が違えば、実験結果は全く違うものになってしまう可能性があります。

それなので、実験方法を考えるときにどんな濃度の水溶液を使うか、また使用したい濃度の水溶液をきちんと作ることができるかはとても重要なのです。

1-1.「溶質」「溶媒」「溶液」について理解しよう

濃度を理解する上で重要な「溶質」「溶媒」「溶液」という用語を先に覚えておきましょう。

溶かされている物質が溶質溶かしている物質が溶媒溶質と溶媒全体のことを溶液といいます。

食塩水で例えると、溶質とは食塩溶媒とは水溶液とは食塩水のことです。

1-2.濃度が違うとはどういうことか?

1-2.濃度が違うとはどういうことか?

image by Study-Z編集部

ここに水 200 g を入れたコップが 2 個あることを想像しましょう。コップ A には塩を 5 g 入れ、コップ B には塩 30 g を入れます。

それぞれ塩が完全に溶けるまでかき混ぜると、どちらも見た目は同じ無色透明の液体になりました。そしてどちらも水に塩を溶かした食塩水です。

しかし、コップ A とコップ B の中身は同じと言えるでしょうか?

コップ A とコップ B の食塩水を味見しました。どちらがよりしょっぱいか分かりますか?B の方が、塩をたくさん入れているからしょっぱいですよね。

さらに、同じ重さの生卵を 2 個持ってきてコップ A とコップ B に入れてみると、コップ A に入れた生卵は沈みコップ B に入れた生卵は浮くでしょう。

同じ水に塩を溶かした食塩水で、見た目も同じでも、濃度が違えば性質が変わるのです。

2.濃度の単位と求め方

化学において濃度が重要だということがわかったところで、次に大切なのは濃度の定義です。「何」を「何」でわるのかという事と、その物質が何「グラム」なのか何「モル」なのか何「リットル」なのかという単位に特に注目して、濃度を見てください。

単位を意識しないで濃度の勉強に取り組むと、間違える原因となり、見返してもどこで間違えたかわからなくなってしまうでしょう。

きちんと単位に注目してひとつずつ順番に答えに近づいていけば、複雑な濃度の計算も必ず解けるようになります。まず、今回のテーマである質量百分率濃度から説明していきましょう。

\次のページで「2-1.質量百分率濃度(%)」を解説!/

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